專利名稱：雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雷達(dá)系統(tǒng)，用于按需要產(chǎn)生存在于其搜索范圍內(nèi)的二維或三維位置指示，該雷達(dá)系統(tǒng)至少裝備有ⅰ)天線裝置，用于產(chǎn)生扇形波束，該扇形波束確定一個(gè)天線波瓣平面;
ⅱ)旋轉(zhuǎn)裝置，用于在天線旋轉(zhuǎn)時(shí)間T，按方位角旋轉(zhuǎn)天線裝置;
ⅲ)雷達(dá)裝置，與天線裝置共同作用，產(chǎn)生目標(biāo)的方位角數(shù)據(jù)和范圍數(shù)據(jù)。
三維位置指示是非常重要的。例如，如果雷達(dá)系統(tǒng)位于一個(gè)軍事設(shè)施附近，或者在海軍艦艇上，那么通?？梢愿鶕?jù)一個(gè)正在接近的目標(biāo)的高度初步確定該目標(biāo)的性質(zhì)。如果斷定該目標(biāo)可能屬于敵方目標(biāo)，且又得到了三維位置指示的話，那么射擊控制雷達(dá)可以立即瞄準(zhǔn)該目標(biāo)。假如僅僅得到二維位置指示，射擊控制雷達(dá)就需要進(jìn)行另外的仰角搜索掃描。
歐洲專利EP-AO，151，640中描述了產(chǎn)生三維目標(biāo)指示的一種方法，其中所說的雷達(dá)系統(tǒng)裝備有天線裝置，它按要求產(chǎn)生扇形波束或尖向束。如果在產(chǎn)生扇形波束期間天線裝置旋轉(zhuǎn)，那么雷達(dá)系統(tǒng)的搜索范圍就能被有效地掃描。當(dāng)天線裝置產(chǎn)生一個(gè)尖向束時(shí)，就能確定觀察到的目標(biāo)的仰角，由此在目標(biāo)的方向上固定方位，并且進(jìn)行仰角搜索掃描。
該方法的缺點(diǎn)是，必須使用二維相控陣天線來按要求產(chǎn)生扇形波束或尖向束，這使得雷達(dá)系統(tǒng)過分昂貴。
本發(fā)明的目的在于克服這一缺點(diǎn)，其特征為天線裝置裝有使天線繞傾斜軸傾斜的裝置，于是，天線波瓣平面與地平面的法線形成一個(gè)傾斜角θ，并且雷達(dá)系統(tǒng)裝有將目標(biāo)的方位角數(shù)據(jù)和范圍數(shù)據(jù)結(jié)合在一起的裝置，這些數(shù)據(jù)是在不同的仰角θi(i＝1，…，n)下測(cè)得的，是目標(biāo)的二維或三維位置指示。
利用傾斜天線按要求產(chǎn)生二維或三維位置指示已為世人所知，例如在M.I.Skolnik所編的《雷達(dá)手冊(cè)》中“V波束雷達(dá)”標(biāo)題下就有描述。這種雷達(dá)系統(tǒng)裝有兩個(gè)天線，或者并排安放，或者一個(gè)裝在另一個(gè)上面，它們同時(shí)旋轉(zhuǎn)，每個(gè)天線都產(chǎn)生一個(gè)扇形波束。每個(gè)扇形波束確定一個(gè)天線波瓣平面，這些平面在一起構(gòu)成一個(gè)角度，因此天線波瓣平面的交線實(shí)質(zhì)上與地表面相切。兩個(gè)天線都裝有雷達(dá)裝置，并且探測(cè)靠近地表面的、基本上具有相同方位的目標(biāo)。對(duì)一個(gè)高度為h的目標(biāo)來說，兩個(gè)天線連同它們的雷達(dá)裝置觀測(cè)到的方位角是有差別的。如果該方們角差為△ψ，那么h基本上與△ψ成比例。這樣，位于雷達(dá)裝置輸出端的結(jié)合裝置就能確定雷達(dá)系統(tǒng)搜索范圍內(nèi)的每個(gè)目標(biāo)的高度。
這一方法的缺點(diǎn)，特別是在海上應(yīng)用時(shí)的缺點(diǎn)是，兩個(gè)天線使得系統(tǒng)過于笨重。這使應(yīng)用幾乎成為不現(xiàn)實(shí)的事情，特別是在較小的船只上。另一缺點(diǎn)是，雷達(dá)裝置也必須是成對(duì)的。
現(xiàn)在參照附圖
進(jìn)一步說本發(fā)明，附圖簡(jiǎn)略地體現(xiàn)了確定目標(biāo)高度的方法。
以下描述的是基于這樣一種雷達(dá)系統(tǒng)，它裝備有旋轉(zhuǎn)天線和雷達(dá)裝置，用于精確地確定雷達(dá)系統(tǒng)搜索范圍內(nèi)的目標(biāo)的范圍和方法，天線產(chǎn)生具有相對(duì)小的方位孔徑角和相對(duì)寬的仰孔經(jīng)角的扇形波束。由此確定的天線波瓣平面實(shí)質(zhì)上是垂直地表面的，此時(shí)可假定為是平的。天線波瓣平面和表面的交線將進(jìn)一步作為傾斜軸?，F(xiàn)在增加裝置，使天線能夠傾斜，這樣天線波瓣平面不再垂直于地表面，但是繞傾斜軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)比較通過天線在非傾斜位置和傾斜位置得到的目標(biāo)的方向角時(shí)，地表面上的目標(biāo)好象仍舊是相同的方位角觀測(cè)到的，一定高度的目標(biāo)在一個(gè)方位被測(cè)定，該方位角取決于傾斜的角度和目標(biāo)的高度。
下面參照附圖進(jìn)行說明。圖中第一天線波瓣平面1的傾斜角為θ1，第二天線波瓣平面2的傾斜角為θ2，當(dāng)天線裝置依次按上述角度傾斜時(shí)，例如在兩個(gè)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)期間，平面1和平面2夾住目標(biāo)3。利用傾斜角θ1的方位角方向ψm1測(cè)定目標(biāo)，利用傾角θ2的方位角方向ψm2測(cè)定目標(biāo)。真正的方位角方向是ψ。
如果我們假定目標(biāo)的高度h遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目標(biāo)和雷達(dá)系統(tǒng)之間的距離R，那么下式適用于圖中的情況，至少實(shí)質(zhì)上是如此tgθ1＝ (R)/(h) (ψm1-ψ) (1)
tgθ2＝ (R)/(h) (ψm2-ψ) (2)于是h = (R(ψm 2-ψm1))/(tgθ2- tgθ1) (3)在實(shí)際情況中，地表面是弧形的，選擇傾斜軸有很多優(yōu)點(diǎn)，以致在天線裝置安放處傾斜軸垂直于地表面上的法線。對(duì)一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)而言，設(shè)置在靠近地表面處意味著靠近地表面的目標(biāo)以相同的方位角被連續(xù)不斷地觀測(cè)到，與傾斜角有關(guān)。然而雷達(dá)系統(tǒng)將提供一幅地表面的不失真的圖象。只是作為天線裝置傾斜的結(jié)果，一定高度的目標(biāo)將產(chǎn)生明顯的位移，僅僅對(duì)這些目標(biāo)而言，混合裝置才是需要的，它將在不同傾斜角θi(i＝1，…，m)下測(cè)得的回波混合在一起。
對(duì)安裝在飛機(jī)或任何其它空中平臺(tái)上的雷達(dá)系統(tǒng)而言，按上述方法選擇傾斜軸也有很多優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)檫@將立即揭示目標(biāo)在空中平臺(tái)的上方還是下方。在一個(gè)給定的傾斜角下，相對(duì)而言并參照測(cè)定的方位角，將會(huì)過早地觀測(cè)到位于空中平臺(tái)上方的目標(biāo)，而過晚地觀測(cè)到位于空中導(dǎo)航臺(tái)下方的目標(biāo)。
可以在實(shí)際中應(yīng)用本發(fā)明的最佳實(shí)施例，如在船上和飛機(jī)中會(huì)碰到的那樣，使天線裝置裝有雙軸穩(wěn)定裝置。通常這些穩(wěn)定裝置可以很容易在配備一個(gè)能夠得到所需要的傾斜角的控制輸入。
有時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)允許有一個(gè)盲角-一個(gè)方位扇區(qū)，此區(qū)中雷達(dá)系統(tǒng)提供不可靠的信息或根本什么都不提供。例如，這發(fā)生在船上，船的上部結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)射和接收都造成障礙。如果盲角是可以接受的，那么就可以選擇本發(fā)明的一個(gè)特定的最佳實(shí)施例，從而傾斜角實(shí)際上周期性地分段變化，并且當(dāng)盲角橫向來回移動(dòng)時(shí)，傾斜角總是發(fā)生實(shí)際上的分段變化。
例如，如果我們讓天線每次轉(zhuǎn)動(dòng)傾斜角θ都按次序θ，-θ，θ，-θ，…那樣變化，那么這意味著每一次轉(zhuǎn)動(dòng)之后，以前觀測(cè)到的目標(biāo)的高度h可以根據(jù)公式(3)確定h = (R(ψm 2-ψm1))/(2tgθ) (4)擾動(dòng)系統(tǒng)可以通過目標(biāo)的線速度產(chǎn)生。如果該系統(tǒng)太大，就需要轉(zhuǎn)動(dòng)兩次(三次測(cè)量)如果∈是徑向速度引起的附加的角度偏移，那么三次順序測(cè)量得到ψm1，ψm2+2∈，ψm3+2∈，其中ψm1、ψm2、ψm3是在沒有徑向速度的情況下測(cè)得的方位角。以下公式成立E = (R(ψm 2-ψm1))/2 (5)h = (R(ψm 2- E -ψm1))/(2tgθ) (6)
在另一個(gè)實(shí)施例中，雷達(dá)系統(tǒng)一般在傾斜角θ＝0的情況下使用。只有在需要對(duì)目標(biāo)高度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，天線的一次轉(zhuǎn)動(dòng)或部分轉(zhuǎn)動(dòng)(在許多情況下這已經(jīng)足夠了)才在傾斜角θ≠0時(shí)完成。
以這種形式，本發(fā)明特別適合加在現(xiàn)有的雷達(dá)系統(tǒng)中。這種雷達(dá)系統(tǒng)幾乎全部裝有跟蹤計(jì)算機(jī)，它采用每次天線轉(zhuǎn)動(dòng)期間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，建立對(duì)可能感興趣的目標(biāo)的跟蹤。這樣便及時(shí)準(zhǔn)確地了解到用這種方法跟蹤的目標(biāo)的位置和速度。由傾斜的天線通過一次或幾次確定目標(biāo)位置，就能弄清目標(biāo)的未知高度。只要用這種方法使不同傾斜角的目標(biāo)位置混合值下降達(dá)到最小，現(xiàn)有的跟蹤計(jì)算機(jī)就通常能實(shí)現(xiàn)混合裝置的附加功能。
如果對(duì)一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)而言盲角的存在是不能接受的，那么傾斜角就可以連續(xù)變化。顯而易見的選擇是調(diào)諧地改變傾斜角，由此，傾斜角在天線n次轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)變化周期θ(t)＝θmax·Sin(θ0+ (2πt)/(nT) )(7)其中θmax是最大可容許的傾斜角，θ0是任選的傾斜角的初始相位，T是天線旋轉(zhuǎn)時(shí)間。
當(dāng)n＝1，目標(biāo)總是在相同的傾斜角下測(cè)量，因此其高度不能確定。
當(dāng)n＝2，實(shí)際上是產(chǎn)生了一個(gè)盲角。例如，如果我們假定最大的傾斜角總是出現(xiàn)在雷達(dá)朝前的時(shí)候，那么當(dāng)雷達(dá)朝后的時(shí)候，傾斜角將總是零。
當(dāng)n很大時(shí)，順序的測(cè)量θmi將變化很小，這反過來對(duì)確定高度產(chǎn)生不利的影響。
當(dāng)n不是整數(shù)，混合的連續(xù)高度測(cè)量就變得不必要的復(fù)雜。困此在n＝3時(shí)得到最佳實(shí)施例。
假定以下適合于連續(xù)測(cè)量ψm1，ψ2，ψm3，… 測(cè)量到的方位角;
θ1，θ2，θ3，… 即時(shí)傾斜角;
R1，R2，R3，… 測(cè)量到的目標(biāo)距離;
h1，h2，h3，… 目標(biāo)高度估算值;
ψ1，ψ2，ψ3，… 目標(biāo)方位角估算值;
從兩次連續(xù)的測(cè)量中，以類似于公式(3)的方法，總可以確定目標(biāo)高度hi = (Ri(ψm i-ψm i - 1))/(tgθi- tgθi - 1) (8)此外，目標(biāo)的線速度也會(huì)引起高度測(cè)量上的誤差。通過在估算中進(jìn)行更多次的測(cè)量并假定h是常量，可以消除該誤差h = (Ri+1(ψmi+1-ψmi+E))/(tgθi+1 - tgθi) (9)h = (Ri+1(ψm i-ψm i-1+E))/(tgθi- tgθi-1) (10)等式(9)和(10)包含作為未知量的高度和由目標(biāo)的線速度引起的角度誤差∈。通過消除∈，得到高度。
通過在估算中進(jìn)得越來越多次的測(cè)量，就可以獲得相應(yīng)的更精確的高度估算值。然而，這對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間是不利的，而且目標(biāo)引起的任何運(yùn)動(dòng)都容易影響估算精度。
通過在估算時(shí)總是進(jìn)行四次、最好是順序的測(cè)量，就可以得到最佳實(shí)施例。
一旦目標(biāo)被與雷達(dá)裝置相連的跟蹤計(jì)算機(jī)跟蹤，R和ψ便是已知的。對(duì)每次新的測(cè)量來說，給定θ，測(cè)量ψm，從而確定高度h＝ (R)/(tgθ) (ψm-ψ) (11)
權(quán)利要求
1.雷達(dá)系統(tǒng)，用于按要求產(chǎn)生存在于雷達(dá)系統(tǒng)搜索范圍內(nèi)的二維或三維位置指示，至少裝備有i)天線裝置，用于產(chǎn)生扇形波束，該扇形波束確定一個(gè)天線波瓣平面；ii)旋轉(zhuǎn)裝置，用于在天線旋轉(zhuǎn)時(shí)間T，按方位角旋轉(zhuǎn)天線裝置；iii)雷達(dá)裝置，與天線裝置共同作用，產(chǎn)生目標(biāo)的方位角數(shù)據(jù)和范圍數(shù)據(jù)；其特征在于天線裝置裝有使天線繞傾斜軸傾斜的裝置，于是，天線波瓣平面與地表面的法線形成一個(gè)傾斜角θ，并且雷達(dá)系統(tǒng)裝有將目標(biāo)的方位角數(shù)據(jù)和范圍數(shù)據(jù)混合在一起的裝置，這些數(shù)據(jù)是在不同的仰角θi(i=1，…，n)下測(cè)得的，是目標(biāo)的二維或三維位置指示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于傾斜軸基本上垂直于法線，并位于天線波瓣平面之中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的雷達(dá)系統(tǒng)，其中天線裝置裝有雙軸穩(wěn)定裝置，其特征在于雙軸穩(wěn)定裝置也保證天線裝置能夠傾斜。
4.根據(jù)上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于傾斜角θ實(shí)際上按時(shí)間分段變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中之一項(xiàng)的雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于傾斜角θ實(shí)際上是周期性地變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于傾斜角的周期時(shí)間實(shí)際上為nT(n＝2，3，4，…)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于傾斜角實(shí)際上按時(shí)間調(diào)諧變化，并且傾斜角的周期時(shí)間實(shí)際上為nT(n＝3，4，5，…)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的雷達(dá)系統(tǒng)，其中目標(biāo)的方位角ψmi，ψmi+1，…，ψK和距離Ri，Ri+1，…，RK已經(jīng)測(cè)量到(i，K∈N)，其特征在于方位角ψmi，ψmi+1，…ψK和距離Ri，Ri+1，…，RK是在傾斜角為θi，θi+1，…θK的情況下測(cè)量的，并且從傾斜角θj，…，θK，測(cè)量值ψmj，…，ψmk和Rj，…，RK，得到高度hk的估算值，其中j∈N;i≤j≤k。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的雷達(dá)系統(tǒng)，其中雷達(dá)系統(tǒng)還附加有跟蹤計(jì)算機(jī)，它連續(xù)不斷地產(chǎn)生距離R和方位角ψ的計(jì)算值，其特征在于高度h的估算值是從R、ψ、即時(shí)傾斜角θ和測(cè)量到的方位角ψm得到的。
全文摘要
本發(fā)明涉及產(chǎn)生目標(biāo)的二維或三維位置指示的雷達(dá)系統(tǒng)。通過周期性地繞傾斜軸傾斜天線，以致使無線波瓣平面與地平面的法線形成一個(gè)傾斜角，并且通過將不同傾斜角下獲得的方位角數(shù)據(jù)和范圍數(shù)據(jù)混合，最終得到三維位置指示。雷達(dá)系統(tǒng)裝有雙穩(wěn)定裝置，該裝置也保證天線裝置能夠傾斜。
文檔編號(hào)G01S13/42GK1062418SQ9111156
公開日1992年7月1日 申請(qǐng)日期1991年12月10日 優(yōu)先權(quán)日1990年12月11日
發(fā)明者翰德瑞克·考尼里斯·布雷杰韋德 申請(qǐng)人:荷蘭塞納拉帕拉塔公司