一种机载气象雷达波束指向自动校准方法技术

本发明专利技术公开了一种机载气象雷达波束指向校准方法，其特征在于，利用数字高程地图，在扫描过程中计算波束照射区域与理论照射区域的差异，自动估计方位和俯仰波束指向误差，实现校准。本发明专利技术利用数字高程地图信息，在扫描过程中计算波束照射区域与理论照射区域的差异，自动估计方位和俯仰波束指向误差，并实现校准功能。本发明专利技术方法大大简化了机载气象雷达波束指向误差法的测量方式，有效改善气象探测性能。本发明专利技术方法可应用于军用和民用机载前视雷达领域。本发明专利技术方法原理简单，计算准确，可以自动进行雷达天线波束指向角度误差估计，具有良好的市场应用前景。

An automatic calibration method for beam pointing of airborne weather radar

The invention discloses a beam direction calibration method of an airborne weather radar, which is characterized in that, in the scanning process, the difference between the beam irradiation area and the theoretical irradiation area is calculated by using the digital elevation map, the azimuth and pitch beam direction errors are automatically estimated, and the calibration is realized. By using the digital elevation map information, the invention calculates the difference between the beam irradiation area and the theoretical irradiation area during the scanning process, automatically estimates the azimuth and pitch beam direction errors, and realizes the calibration function. The method greatly simplifies the measurement method of the beam pointing error method of the airborne meteorological radar and effectively improves the meteorological detection performance. The method can be used in the field of military and civil airborne forward-looking radar. The method has the advantages of simple principle, accurate calculation, automatic estimation of beam pointing angle error of radar antenna, and good market application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种机载气象雷达波束指向自动校准方法
本专利技术属于机载气象雷达
，涉及一种机载气象雷达波束指向自动校准方法。
技术介绍
机载气象雷达能够实现飞行航路前方的气象目标的探测与显示，飞行员根据显示器上气象目标强度、距离和方位等信息，提前做好规避措施，保障飞行安全。为了便于查看和决策，需要雷达提供无杂波干扰的精确的气象显示。雷达波束指向偏差会影响天线波束覆盖范围，如图1所示，天线波束在方位向和俯仰向均存在一定的指向误差，使得波束照射区域与指定的区域出现偏移，导致雷达探测到的气象目标强度和位置标注不准确，甚至会带来杂波影响，造成雷达探测性能的损失。为了保证雷达能够精确获取飞机前方的气象信息，且消除杂波干扰，雷达在每次重新安装后都需要进行波束指向校准。波束指向误差是指雷达天线实际的指向与要求指向的方向间的角度差，是多种误差相互作用的结果，主要的误差来源是天线安装误差和随机幅相误差，若是采用有源相控阵天线，则单元间的互耦、天线方向图的不一致性以及天线罩的影响等都会造成波束指向偏差。目前，机载气象雷达的波束校准集中在天线安装误差的校准方面，需要将机头顶起，调整飞机的水平基准面在绝对水平状态，并利用专门的仪器设备对安装的天线进行校靶，该方式要求人工操作，程序复杂，工作量大且精细度高，稍有疏忽将造成较大指向误差，对操作人员的技术经验要求高；且测试场地和条件要求严苛，操作不便，同时每台装机雷达都要进行专门的测量，对一些不能满足测量条件的雷达，难以满足系统所需的精度要求，因此，急需一种简单有效的手段实现天线波束指向误差的测量与校准。本专利针对人工手动测量天线波束指向误差难度大、测试场地受限等现实难题，提出了一种利用数字高程地图辅助波束指向自动校准的方法。该方法在飞行过程中，通过选择天线自动校准按钮，雷达发射电磁波对某一区域进行扫描，根据雷达获取的扫描图与实际对应的数字高程图进行比较和相关，获取雷达波束指向误差，并将该误差存储在处理机内部，后期雷达使用过程中都可调用该误差值进行波束指向误差的校准。该方法原理简单，操作方便，对测量条件、场地和测量人员都没有额外的要求，在飞行过程中就可实现，方便快捷，可极大地节约成本。专利技术创造目的本专利针对人工手动测量天线波束指向误差难度大、测试场地受限等现实难题，提出了一种利用数字高程地图辅助机载气象雷达进行波束指向自动校准的方法。通过飞行过程中的雷达扫描数据与数字高程数据，自动估计机载气象雷达波束指向误差，提高天线指向精度，实现气象目标的精确探测与显示，改善气象雷达探测性能。技术方案一种机载气象雷达波束指向校准方法，其特征在于，利用数字高程地图，在扫描过程中计算波束照射区域与理论照射区域的差异，自动估计方位和俯仰波束指向误差，实现校准。所述校准的具体实施步骤包括：(1)载机平稳飞行过程中，选择波束校准模式：使得雷达波束完全照射到地面，回波区分出杂波带，雷达扫描同时录取数据，完成一个扫描周期后，得到雷达接收到的地形回波数据；(2)雷达数据预处理：将雷达回波数据计算模值，并在此基础上估计噪声功率，设置噪声门限；(3)俯仰指向误差估计：根据雷达回波搭地位置与计算出的理论搭地位置进行比较，通过位置的偏移估计出波束指向误差；(4)方位指向误差估计：将一个扫描行的雷达回波数据二值化处理，并提取补偿俯仰指向误差后的雷达扫描范围内的数字高程地图数据，同时进行二值化处理，利用数据分块的方法，计算雷达回波数据与数字高程地图数据的相关性，实现方位指向误差的估计；(5)波束指向误差校准。将计算出的俯仰和方位波束指向误差值进行存储，在雷达使用过程中调用该值进行波束指向误差校准。所述步骤(3)中，俯仰指向误差估计具体实现步骤为：1)对于每个方位回波数据，提取波束覆盖区域，计算各方位回波数据的最近搭地距离；2)根据载机经度、纬度、高度、航向角、方位角、俯仰角信息，从数字高程地图中提取波束照射方向的地形高度信息；根据地形高度、载机高度、波束指向信息，计算出理论上的最近搭地距离；3)根据回波实际搭地距离和理论搭地距离的差异，估计俯仰波束指向误差；4)重复步骤1)～3)，估计出所有方位的俯仰波束指向误差；5)对俯仰误差数据进行滤波处理，得到的结果作为俯仰波束指向误差。所述步骤(4)中，方位指向误差估计具体实现步骤为：1)雷达回波数据二值化处理，并将其分块，并记录每块数据对应的中心方位角；2)将雷达的俯仰角误差的影响消除，从数字高程地图中提取无俯仰误差的地形信息，并考虑波束覆盖和遮挡；3)将提取出的数字高程地图地形数据二值化处理，并进行滑窗分块，分块大小与雷达数据一致，记录每块数据对应的中心方位角；4)计算相关系数，对每个雷达回波数据块与数字高程地图数据的所有数据块进行相关计算，找出相关系数最大值对应的数据，计算二者的中心方位角误差；5)重复步骤4)得到每一个雷达回波数据块的中心方位角误差数据；6)对中心方位角误差数据进行滤波处理，得到的结果作为方位波束指向误差。所述步骤5)中的滤波处理，具体为中值处理。有益效果(1)本专利技术利用数字高程地图信息，在扫描过程中计算波束照射区域与理论照射区域的差异，自动估计方位和俯仰波束指向误差，并实现校准功能。本专利技术方法大大简化了机载气象雷达波束指向误差法的测量方式，有效改善气象探测性能。(2)本专利技术方法可应用于军用和民用机载前视雷达领域。本专利技术方法原理简单，计算准确，可以自动进行雷达天线波束指向角度误差估计，具有良好的市场应用前景。附图说明图1为俯仰指向误差估计示意图；图2为本专利技术算法流程示意图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术做进一步详细说明：(1)载机平稳飞行过程中，选择波束校准模式。雷达根据当前载机高度、地形高度、波束宽度等参数，自动选择合适的俯仰波束指向和方位扫描范围，使得雷达波束完全照射到地面，回波能明显区分出杂波带，雷达扫描的同时录取数据，完成一个扫描周期后，得到雷达接收到的地形回波数据XRadar[Nr][Naz]，其中Nr、Naz分别表示距离维、方位维的单元个数，当前俯仰指向值fEL和方位角数据fAz[Naz]。(2)雷达数据预处理。将雷达回波数据计算模值后记为YRadar[Nr][Naz]，并在此基础上估计噪声功率，设置噪声门限Pn_Threshold。(3)俯仰指向误差估计波束搭地位置与俯仰角存在对应关系(图1所示)，根据雷达回波搭地位置与理论值计算出的搭地位置进行比较，通过位置的偏移可以估计出波束指向误差，具体步骤如下：1)对于每个方位naz(naz＝1,2,3,…,Naz)回波数据，提取波束覆盖区域，计算各方位回波数据的最近搭地距离，记为Rmin(na)；2)根据载机经度、纬度、航向角、方位角等信息，从数字高程地图(DEM)中提取波束照射方向的地形高度信息，并按雷达采样率进行保存，当前方位的DEM信息保存为TmpDEM[Nr]；3)根据地形高度、载机高度、波束指向等信息计算出理论上的最近搭地距离RDEM_min(na)；4)根据回波实际搭地距离和理论搭地距离的差异，估计俯仰波束指向误差，记为Errel(na)；5)重复步骤1)～4)，估计出所有方位的俯仰波束指向误差Errel[Naz]；6)对俯仰误差数据Errel[Naz]进行中值处理，得到的结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机载气象雷达波束指向校准方法，其特征在于，利用数字高程地图，在扫描过程中计算波束照射区域与理论照射区域的差异，自动估计方位和俯仰波束指向误差，实现校准。

【技术特征摘要】
1.一种机载气象雷达波束指向校准方法，其特征在于，利用数字高程地图，在扫描过程中计算波束照射区域与理论照射区域的差异，自动估计方位和俯仰波束指向误差，实现校准。2.根据权利要求1的一种机载气象雷达波束指向校准方法，其特征在于，所述校准的具体实施步骤包括：(1)载机平稳飞行过程中，选择波束校准模式：使得雷达波束完全照射到地面，回波区分出杂波带，雷达扫描同时录取数据，完成一个扫描周期后，得到雷达接收到的地形回波数据；(2)雷达数据预处理：将雷达回波数据计算模值，并在此基础上估计噪声功率，设置噪声门限；(3)俯仰指向误差估计：根据雷达回波搭地位置与计算出的理论搭地位置进行比较，通过位置的偏移估计出波束指向误差；(4)方位指向误差估计：将一个扫描行的雷达回波数据二值化处理，并提取补偿俯仰指向误差后的雷达扫描范围内的数字高程地图数据，同时进行二值化处理，利用数据分块的方法，计算雷达回波数据与数字高程地图数据的相关性，实现方位指向误差的估计；(5)波束指向误差校准。将计算出的俯仰和方位波束指向误差值进行存储，在雷达使用过程中调用该值进行波束指向误差校准。3.根据权利要求2的一种机载气象雷达波束指向校准方法，其特征在于，所述步骤(3)中，俯仰指向误差估计具体实现步骤为：1)对于每个方位回波数据，提取波束覆盖区域，计算各方位回波数据的最近搭地距离...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈娟，高霞，程宇峰，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32