双基地雷达收发波束三维空间同步方法

宋思盛 张兴 姜洋 李国卿

摘  要：提出一种基于坐标转换技术的双基地雷达波束三维空间同步计算方法，可以快速生成双基地雷达发射、接收波束在距离、方位和俯仰三维同步交汇表。该方法结合雷达产品的研制，可适用于各种应用领域的双基地雷达波束同步的计算，具有广阔的应用前景。

关键词：双基地雷达;空间同步;坐标转换

中图分类号：TN957 文献标志码：A       文章编号：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

双基地体制雷达[1]以其突出的抗有源干扰能力和战场生存能力近年来逐渐成为各国研究的热点，并在防空情报和炮兵雷达领域应用，如美军开展了多孔径双基地火炮定位雷达的研制[2]。双基地雷达收发分置，基线距离从数千米到几十千米不等，工作时收发站天线波束必须同时照射到目标，才能对目标进行有效的检测，空间同步是双基地雷达“三同”关键技术之一。

实现双基地雷达收发波束同步的主要包括脉冲追赶和DBF同时多波束接收两种，脉冲追赶方式需要同时考虑时间和空间的同步，随着DBF技术的进步及实现成本的逐渐降低，同时多波束接收逐渐成为双基地雷达波束同步的主流方法，适用于脉冲体制和连续波信号体制的双基地雷达。现代双基地雷达普遍采用有源阵列天线，收发波束为可在方位和俯仰两维进行灵活电扫描的针状波束，但现有文献如[3]、[4]、[5]主要基于双基地平面模型在距离和方位两维进行波束收发同步的理论分析和推导，已不能满足双基地雷达在距离、方位和俯仰三维进行同步的实际工程需求。

本文提供一种双基地雷达收发波束三维同步计算方法，可适用于不同应用领域采用有源相控阵列天线的双基地雷达系统中，主要解决的技术问题是给出一种实用的双基地雷达收发波束在距离、方位和俯仰三维进行波束空间同步的方法和计算过程。

2 双基地雷达空间同步几何模型

双基地雷达由发射站和接收站组成，通过发射波束和接收波束在空间交汇扫描，对任一发射波束方向，接收站在方位和俯仰两维方向上产生多个接收波束与发射波束进行空间交汇，从而检测交汇空间内的目标，实现对飞行器、弹丸等目标的探测、跟踪测量。发射站、接收站和弹丸目标的空间几何模型如图1所示，在采用DBF技术实现空间同步的条件下接收波束个数与雷达其它工作参数之间的关系可参考文献[6]，本文不再详述。

3 双基地雷达发波束三维空间同步方法

本文提出的基于坐标转换的双基地雷达收发波束三維空间同步方法，要进行阵面正弦空间坐标系到大地直角坐标系的转换，大地直角坐标系之间的平移、旋转变换，以及大地直角坐标系到阵面直角坐标系之间的转换，采用的坐标转换为成熟的计算公式，不再赘述，收发波束指向三维空间同步交汇表的详细计算流程，具体包括以下步骤：

步骤一：建立以接收站为坐标原点的大地直角坐标系，其中接收站和发射站的坐标分别为R（0，0，0）和T（ET，NT，HT），根据收发站和探测区域的位置关系获得收发站天线的方位角和俯仰倾斜角，分别为AzT、ElT、AzR和ElR。

步骤二：根据雷达工作任务，在发射站阵面正弦空间坐标系内排列M个发射波束，（？琢Tm，？茁Tm），m=1...M，？琢Tm，？茁Tm分别为发射波束的方位和俯仰正弦值;在接收站阵面正弦空间坐标系内根据一定的波束交叉点电平排列N个接收波束，接收波束的方位正弦值？琢Rn（n=1...N）为已知值，而每个接收波束的俯仰正弦值？茁Rn为待求值。

步骤三：根据坐标转换矩阵将阵面直角坐标系下第m个发射波束指向的坐标转换到以发射站为坐标原点的大地直角坐标系下。

联立式（4）和式（7）得方程组如式（8）所示。若方程组有解，且求得？茁Rmn、RTmn和RRmn值均在雷达工作的正常值范围内，则第m个发射波束与方位正弦值为？琢Rn的接收波束可完成空间交汇;若方程组无解或者有解但？茁Rmn、RTmn和RRmn值超出雷达正常值范围，则第m个发射波束与方位正弦值为？琢Rn的接收波束不能完成空间交汇。

步骤七：重复步骤六，对第m个发射波束与所有接收波束进行交汇计算，获得同步该发射波束的全部接收波束的俯仰正弦值、交汇点相对收发站的距离等数据。

步骤八：重复步骤三到步骤七，完成所有发射波束的接收波束簇俯仰指向与相关距离信息的计算，形成双基地雷达的收发波束交汇表，完成双基地雷达波束三维同步的全部计算。

依据上述方法编写的软件程序，完成了某型双基地雷达战术作战条件下的收发波束三维空间同步表的实时计算，雷达根据同步表由发射站依次发射波束实现对给定探测区域内的连续搜索扫描，控制接收站同时形成多个指向的DBF接收波束实现对既定发射波束照射空域的全覆盖，确保对空域内目标的探测和跟踪，靶场试验验证了该方法的有效性。

4 结束语

本文针对双基地雷达“三同”技术中的空间同步技术难题，提出一种基于坐标转换技术的双基地雷达波束三维空间同步计算方法，根据三维几何模型和坐标转换技术，可以快速的生成双基地雷达发射、接收波束在距离、方位和俯仰三维同步交汇表，该方法具有工程实用性，已在某型双基地体制雷达中得到应用。该方法结合双基地雷达工程实践，工程实用性强，可适用于各种应用领域的双基地雷达波束同步的计算，在双基地体制雷达中具有广阔的应用前景，未来将带来更大的经济效益、军事效益和社会效益。

参考文献：

[1]杨振起，张永顺，骆永军.双（多）基地雷达系统[M].北京：国防工业出版社，1998.

[2]杨春，张军华.国外火炮定位雷达的现状和发展趋势[J].现代防御技术，2005（1）：52-57.

[3]赵树杰.双/多基地雷达空间同步技术[J].火控雷达技术，1992（3）：1-5.

[4]王庚，袁俊泉.天空双基地预警雷达空间同步设计分析[J].空军预警学院学报，2016（2）：89-94.

[5]周鹏.利用收发宽波束实现星机双基地SAR的波束同步[J].遥测遥感，2008（5）：27-32.

[6]陈波，黄金杰.双（多）基地炮位侦察校射雷达的空间同步研究[J].火控雷达技术，2007（4）：36-40.