CN109188380B - 一种用于低慢小探测雷达的关键指标测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于低慢小探测雷达的关键指标测试系统及方法，系统包括目标单元和地面站；目标单元，作为雷达测试时的被探测目标，反射雷达的探测信号；并与地面站建立无线数传链路，将自身位置信息，通过数传链路发送到地面站；地面站与雷达网络建立连接，通过雷达网络获得雷达对目标单元的探测结果；与通过数传链路获得的目标单元自身位置信息进行比对，对雷达的测距精度和测角精度进行测试。本发明在与传统雷达测试的耗时相同情况下的测试情况下，测试成本由20～60万量级降低至1～2万量级；并且支持自动测试；能够满足毫米波连续波低速无人机探测雷达要求。

Description

一种用于低慢小探测雷达的关键指标测试系统及方法

技术领域

本发明涉及雷达测试技术领域，尤其涉及一种用于低慢小探测雷达的关键指标测试系统及方法。

背景技术

雷达距离精度、角度精度等详细指标均采用专用雷达测试设备(雷达信号模拟器)实现，测试时，雷达需放置于满足要求的微波暗室内，目标距离、速度矢量、俯仰角、水平角均由雷达信号模拟器产生，对比信号模拟器参数与雷达测试结果，评估距离精度、角度精度指标。

目前，大多数雷达测试系统为18GHz以下脉冲雷达开发。对于连续波雷达可借鉴开发组件较少，信号模拟器开发成本较高，毫米波段暗室成本也偏高；且，仅能提供暗室测试结果，实战效果无法定量测试。

而，对于低慢小雷达其指标精度要求不高，一般要求距离精度10m，角度精度1°，其更关心的是测试成本；因此，需要一种低成本的，适用于低慢小雷达的测试方法。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种用于低慢小探测雷达的关键指标测试系统及方法，解决传统雷达测试手段的短板，用于低慢小探测雷达的关键指标的测试。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种用于低慢小探测雷达关键指标的测试系统，包括，目标单元和地面站；

所述目标单元，作为雷达测试时的被探测目标，反射所述雷达的探测信号；并与所述地面站建立无线数传链路，将自身位置信息，通过数传链路发送到所述地面站；

所述地面站与雷达网络建立连接，通过雷达网络获得所述雷达对目标单元的探测结果；与通过数传链路获得的目标单元自身位置信息进行比对，对所述雷达的测距精度和测角精度进行测试。

进一步地，所述目标单元包括无人机平台、导航卫星接收模块、气压高度计、MCU模块、数传发送模块；

所述无人机平台，作为空中目标，反射所述雷达的连续波探测信号；作为搭载平台搭载导航卫星接收模块、气压高度计、数传发送模块和MCU模块；

所述导航卫星接收模块，进行卫星定位，得到所述目标单元的经纬度；

所述气压高度计，测量所述目标单元的气压高度；

所述MCU模块与导航卫星接收模块和气压高度计连接，将包括导航卫星接收模块测量的经纬度、气压高度计测量的气压高度以及时间戳在内的定位信息，进行统一协议编码；

所述MCU模块与数传发送模块连接，将经过统一协议编码的定位信息发送到数传模块；

所述数传发送模块，用于与地面站建立数据链连接，将定位信息进行抗干扰编码后，发送到地面站。

进一步地，所述目标单元包括的数传天线为弯折柔性PCB印刷天线，尺寸43mm×9mm。

进一步地，所述地面站包括数传接收模块、接收天线、转台、雷达接口、测控组件和指北模块；

所述数传接收模块与接收天线电连接，通过接收天线与目标单元的数传发送模块建立数据链路；接收数传发送模块下发的抗干扰编码后定位信息，进行抗干扰解码后得到统一协议编码的定位信息；

所述转台与接收天线固定连接，在旋转指令控制下在水平方向360°旋转，使接收天线的主波束时刻对准目标单元的数据发送模块天线，确保数据链路畅通，使数据传输具有连续性；

所述雷达接口与雷达网通信接口电连接，用于接收所述雷达对目标单元的雷达测量数据和雷达位置数据；

所示指北模块，用于指示正北方向；

测控组件与数传接收模块连接，接收数传接收模块传来的统一协议编码的定位信息，进行解码得到目标单元的经纬度、高度以及时间戳信息；与指北模块连接，接收正北方位角θ₀；与转台模块连接，接收转台带动接收天线指向目标单元的角度θ₁；与雷达接口连接，接收雷达位置数据；并根据上述信息计算包括时间戳信息T、目标单元的真实高度H，投影距离D，水平角度θ，俯仰角α在内的数传测量数据；

测控组件将从雷达接口接收的包括时间戳信息T’、投影距离D’，真实高度H’，水平角度θ’，俯仰角α’在内的雷达测量数据与数传测量数据进行比较，得到雷达测量数据的测量误差。

进一步地，所述转台包括天线固定平台、滚针轴承双自由度转动机构、电机和电机控制器；

所述天线固定平台固定接收天线；

所述滚针轴承双自由度转动机构连接电机和天线固定平台；电机通过滚针轴承双自由度转动机构带动天线固定平台转动；

所述电机控制器与电机电连接，输出旋转指令控制电机转动，使数传接收天线主波束始终朝向目标单元的数据发送模块天线。

进一步地，所述接收天线为三单元八木天线，中心频率5.8GHz，带宽150MHz，增益8～10dBi，主波束宽度10°～15°。

进一步地，数传测量数据的计算方法包括：

真实高度H＝h-h₀；h为气压高度计测量的高度信息，h₀为无人机起飞时的气压高度，无人机起飞高度要求与雷达为同一高度；

水平角度θ＝θ₁-θ₀，θ₁为转台带动接收天线指向目标单元的角度；θ₀为指北模块的指北结果；

俯仰角

(x₀,y₀)为雷达的初始位置，(x₁,y₁)卫星导航模块传输的无人机的位置；

目标单元的投影距离

进一步地，测试时，所述地面站与所述雷达布置在同一雷达阵地。

进一步地，，所述无线数传链路采用LoRa扩频抗干扰数传模式。

一种用于低慢小探测雷达的关键指标测试方法，包括如下步骤：

步骤S1、目标单元和地面站加电正常工作；

步骤S2、确保目标单元的无人机起飞时的气压高度与雷达的气压高度相同；地面站控制人员经过确认高度相同后，才发出无人机起飞指令；

步骤S3、无人机飞行过程中，地面站通过数据链路接收目标单元的经纬度、气压高度及时间戳数据，结合通过雷达接口接收的雷达位置，计算数传测量数据；通过雷达接口接收雷达对目标单元的雷达测量数据；

步骤S4、比较时间戳相同的数传测量数据与雷达测量数据，得到雷达测量数据的测量误差。

本发明有益效果如下：

本发明的测试方法，在与传统雷达测试的耗时相同情况下的测试情况下，测试成本由20～60万量级降低至1～2万量级；并且支持自动测试；在距离精度误差10米以内，角度测量误差在1度以内的精度要求下，能够满足毫米波连续波低速无人机探测雷达要求。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的指标测试系统组成结构图；

图2为本发明实施例的目标单元组成连接示意图；

图3为本发明实施例的指标测试系统布置示意图；

图4为本发明实施例的地面站组成连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明的一个具体实施例，公开了一种用于低慢小探测雷达的关键指标测试系统，如图1所示，包括，目标单元和地面站；

其中，目标单元，作为低慢小目标，用于低慢小探测反射雷达的探测信号；并且，目标单元与地面站建立无线数传链路，将自身位置信息，通过数传路发送到地面站；

地面站与雷达网络建立连接，通过雷达网络接口获得低慢小探测雷达对目标单元的雷达定位结果；与目标单元发送的自身的位置信息进行比对，测试低慢小探测雷达的距离精度和角度精度。

如图2所示，目标单元包括无人机平台、导航卫星接收模块、气压高度计、MCU模块、数传发送模块和数传天线；

无人机平台，作为目标单元模拟低慢小目标的主体，在空中飞行，反射低慢小探测雷达的连续波雷达信号；作为搭载平台搭载导航卫星接收模块、气压高度计、数传发送模块和MCU模块，并为上述搭载模块供电；

导航卫星接收模块，接收导航卫星信号进行卫星定位，得到无人机平台的经纬度；

优选的，导航卫星接收模块为接收GPS信号的UBLOX NEO-7N；具体参数为TTL串口输出，9600波特率，NMEA协议，定位精度2.5米，位置刷新频率支持到10Hz，功耗5V，45mA；

气压高度计，测量无人机平台的气压高度h；

优选的，气压高度计芯片为BMP280芯片，具体参数为SPI输出，3.3V，2.7uA，精度0.2Pa，通过校准，高度定位精度可达到0.1m；

MCU模块与导航卫星接收模块和气压高度计连接，将包括导航卫星接收模块测量的经纬度、气压高度计测量的高度信息以及时间戳的定位信息，进行统一协议编码；

MCU模块与数传发送模块连接，将经过统一协议编码的定位信息发送到数传模块进行数据发送；

特殊的，统一协议编码如表1

表1编码协议结构

MCU模块优选STM32F013C8T6。

数传发送模块，用于与地面站建立数据链连接，将定位信息进行抗干扰编码后，发送到地面站；

优选的，数传发送模块选择SX1278无线模块，具体参数为发射功率100mW，LoRa扩频抗干扰，TTL串口，空中速率2.4K bps；

数传天线，优选可弯折柔性PCB印刷天线，尺寸43mm×9mm。

具体的，如图3所示，测试时，地面站与低慢小探测雷达布置在同一阵地；

如图4所示，地面站包括数传接收模块、接收天线、转台、雷达接口、测控组件、指北模块；

数传接收模块与接收天线连接，用于与目标单元的数传发送模块建立数据链路；接收数传发送模块下发的抗干扰编码后定位信息，进行抗干扰解码后得到统一协议编码的定位信息；

优选的，数传接收模块采用SX1276无线模块，灵敏度-113dBm，LoRa扩频抗干扰，TTL串口，空中速率2.4K bps；

接收天线为高增益天线，优选三单元八木天线，中心频率5.8GHz，带宽150MHz，增益8～10dBi，主波束宽度10°～15°。

转台，与接收天线连接，在旋转指令控制下在水平方向360°旋转，使接收天线的主波束时刻对准目标单元的数据发送模块天线，确保数据链路畅通，使数据传输具有连续性；

优选的，转台包括天线固定平台、滚针轴承双自由度转动机构、电机和电机控制器；

天线固定平台固定数据接收天线，采用铝合金材料制成；

滚针轴承双自由度转动机构连接电机和天线固定平台；电机通过滚针轴承双自由度转动机构带动天线固定平台转动；

优选的，机电部分采用串口总线数字舵机总成，扭力15KG，转向误差0.25°；

电机控制器与电机连接，输出旋转指令控制电机转动，使接收天线主波束始终朝向目标单元的数据发送模块天线。

雷达接口，与雷达网通信接口连接，用于接收低慢小探测雷达对目标单元的测量数据和雷达位置数据；

指北模块，用于指示正北方向，以得到雷达转台零位朝向(雷达转台通过正北方位确定雷达水平角的零位朝向)；

优选的，指北模块的指向精度优于0.5度，且自带抗磁干扰能力。

测控组件与数传接收模块连接，接收数传接收模块传来的统一协议编码的定位信息，进行解码得到目标单元的经纬度、高度以及时间戳信息；与指北模块连接，接收正北方位θ₀；与转台模块连接，接收转台带动接收天线指向目标单元的角度θ₁；与雷达接口连接，接收雷达位置数据；并根据上述信息计算包括时间戳信息、目标单元的真实高度H，投影距离D，水平角度θ，俯仰角α在内的数传测量数据；

测控组件将从雷达接口接收的包括时间戳信息、投影距离D’，真实高度H’，水平角度θ’，俯仰角α’在内的雷达测量数据与数传测量数据进行比较，得到雷达测量数据的测量误差。

具体的，数传测量数据的计算方法包括：

真实高度H＝h-h₀；h为气压高度计测量的高度信息，h₀为无人机起飞时的气压高度，无人机起飞高度要求与雷达为同一高度；

水平角度θ＝θ₁-θ₀，θ₁为转台带动接收天线指向目标单元的角度；θ₀为指北模块的指北结果；

俯仰角

(x₀,y₀)为雷达的初始位置，(x₁,y₁)卫星导航模块传输的无人机的位置；

目标单元的投影距离

本实施例还公开了一种用于低慢小探测雷达的关键指标测试方法，该方法基于上述实施例中公开的系统实现；包括如下步骤：

步骤S1、目标单元和地面站加电正常工作；

具体包括目标单元的无人机平台加电，控制信号连接完好，可随时起飞；导航卫星接收模块和气压高度计加电完成初始定位；数传发送模块与数传接收模块建立数据传输链路；

地面站的雷达接口与雷达网连接正常，接收要测试雷达包括雷达位置在内的数据。

步骤S2、无人机起飞前，确保无人机起飞时的气压高度与雷达的气压高度相同h₀；地面站控制人员经过确认高度相同后，才发出无人机起飞指令。

步骤S3、无人机飞行过程中，地面站通过数据链路接收目标单元的经纬度、气压高度及时间戳数据，结合通过雷达接口接收的雷达位置，计算数传测量数据；通过雷达接口接收雷达对目标单元的雷达测量数据；

数传测量数据包括时间戳信息、目标单元的真实高度H、投影距离D、水平角度θ和俯仰角α，具体计算方法包括：

真实高度H＝h-h₀；h为气压高度计测量的高度信息，h₀为无人机起飞时的气压高度，无人机起飞高度要求与雷达为同一高度；

水平角度θ＝θ₁-θ₀，θ₁为转台带动接收天线指向目标单元的角度；θ₀为指北模块的指北结果；

俯仰角

(x₀,y₀)为雷达的初始位置，(x₁,y₁)卫星导航模块传输的无人机的位置；

目标单元的投影距离

对应的雷达测量数据包括时间戳信息、投影距离D’、真实高度H’、水平角度θ’、俯仰角α’。

步骤S4、比较时间戳信息相同的数传测量数据与雷达测量数据，得到雷达测量数据的测量误差。

投影距离误差ΔD＝D'-D；真实高度误差：ΔH＝H'-H；水平角度误差Δθ＝θ'-θ；俯仰角度误差Δα＝α'-α。

综上所述，本实施例公开的用于低慢小探测雷达的关键指标测试系统及方法，在于传统雷达测试的耗时相同情况下的测试情况下，测试成本由20～60万量级降低至1～2万量级；并且支持自动测试；在距离精度误差10米以内，角度测量误差在1度以内的精度要求下，能够满足毫米波连续波低速无人机探测雷达要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于低慢小探测雷达关键指标的测试系统，其特征在于，包括，目标单元和地面站；

所述目标单元，作为雷达测试时的被探测目标，反射所述雷达的探测信号；并与所述地面站建立无线数传链路，将自身位置信息，通过无线数传链路发送到所述地面站；

所述目标单元包括无人机平台、导航卫星接收模块、气压高度计、MCU模块、数传发送模块；

所述无人机平台，作为空中目标，反射所述雷达的连续波探测信号；作为搭载平台搭载导航卫星接收模块、气压高度计、数传发送模块和MCU模块；

所述导航卫星接收模块，进行卫星定位，得到所述目标单元的经纬度；

所述气压高度计，测量所述目标单元的气压高度；

所述MCU模块与导航卫星接收模块和气压高度计连接，将包括导航卫星接收模块测量的经纬度、气压高度计测量的气压高度以及时间戳在内的定位信息，进行统一协议编码；

所述MCU模块与数传发送模块连接，将经过统一协议编码的定位信息发送到数传发送模块；

所述数传发送模块，用于与地面站建立无线数传链路，将定位信息进行抗干扰编码后，发送到地面站；

所述地面站与所述雷达布置在同一阵地；地面站与雷达网络建立连接，通过雷达网络获得所述雷达对目标单元的测量数据包括时间戳信息、投影距离D’、真实高度H’、水平角度θ’、俯仰角α’；

地面站通过无线数传链路接收目标单元的经纬度、气压高度及时间戳数据，结合通过雷达接口接收的雷达位置，计算的数传测量数据包括时间戳信息、目标单元的真实高度H、投影距离D、水平角度θ和俯仰角α；

地面站包括数传接收模块、接收天线、转台、雷达接口、测控组件、指北模块；

所述数传接收模块与接收天线连接，用于与目标单元的数传发送模块建立无线数传链路；接收数传发送模块下发的抗干扰编码后的定位信息，进行抗干扰解码后得到统一协议编码的定位信息；

转台与接收天线连接，在旋转指令控制下在水平方向360°旋转，使接收天线的主波束时刻对准目标单元的数传发送模块天线，确保无线数传链路畅通，使数据传输具有连续性；

所述转台包括天线固定平台、滚针轴承双自由度转动机构、电机和电机控制器；

天线固定平台固定接收天线；

滚针轴承双自由度转动机构连接电机和天线固定平台；电机通过滚针轴承双自由度转动机构带动天线固定平台转动；

电机控制器与电机连接，输出旋转指令控制电机转动，使接收天线主波束始终朝向目标单元的数传发送模块天线；

雷达接口，与雷达网通信接口连接，用于接收低慢小探测雷达对目标单元的测量数据和雷达位置数据；

指北模块，用于指示正北方向，以得到雷达转台零位朝向；

测控组件与数传接收模块连接，接收数传接收模块传来的统一协议编码的定位信息，进行解码得到目标单元的经纬度、高度以及时间戳信息；测控组件与指北模块连接，接收正北方位θ₀；测控组件与转台模块连接，接收转台带动接收天线指向目标单元的角度θ₁；测控组件与雷达接口连接，接收雷达位置数据；并计算包括时间戳信息、目标单元的真实高度H，投影距离D，水平角度θ，俯仰角α在内的数传测量数据；

测控组件将从雷达接口接收的包括时间戳信息、投影距离D’，真实高度H’，水平角度θ’，俯仰角α’在内的雷达测量数据与数传测量数据进行比较，得到雷达测量数据的测量误差；

数传测量数据的计算方法包括：

真实高度H＝h-h₀；h为气压高度计测量的高度信息，h₀为无人机起飞时的气压高度，无人机起飞高度要求与雷达为同一高度；地面站控制人员经过确认高度相同后，才发出无人机起飞指令；

水平角度θ＝θ₁-θ₀，θ₁为转台带动接收天线指向目标单元的角度；θ₀为指北模块的指北结果；

俯仰角

(x₀,y₀)为雷达的初始位置，(x₁,y₁)卫星导航模块传输的无人机的位置；

目标单元的投影距离

比较时间戳相同的数传测量数据与雷达测量数据，得到雷达测量数据的测量误差。

2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述目标单元包括的数传发送模块天线为弯折柔性PCB印刷天线，尺寸43mm×9mm。

3.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述接收天线为三单元八木天线，中心频带5.8GHz，带宽150MHz，增益8～10dBi，主波束宽度10°～15°。

4.根据权利要求1-3任一项所述的测试系统，其特征在于，所述无线数传链路采用LoRa扩频抗干扰数传模式。

5.一种根据权利要求1-4任一项所述的用于低慢小探测雷达关键指标的测试系统的关键指标测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、目标单元和地面站加电正常工作；所述地面站与所述雷达布置在同一阵地；

步骤S2、确保目标单元的无人机起飞时的气压高度与雷达的气压高度相同；地面站控制人员经过确认高度相同后，才发出无人机起飞指令；

步骤S3、无人机飞行过程中，地面站通过无线数传链路接收目标单元的经纬度、气压高度及时间戳数据，结合通过雷达接口接收的雷达位置，计算数传测量数据；通过雷达接口接收雷达对目标单元的雷达测量数据；

地面站与雷达网络建立连接，通过雷达网络获得所述雷达对目标单元的测量数据包括时间戳信息、投影距离D’、真实高度H’、水平角度θ’、俯仰角α’；

地面站通过无线数传链路接收目标单元的经纬度、气压高度及时间戳数据，结合通过雷达接口接收的雷达位置，计算的数传测量数据包括时间戳信息、目标单元的真实高度H、投影距离D、水平角度θ和俯仰角α；

真实高度H＝h-h₀；h为气压高度计测量的高度信息，h₀为无人机起飞时的气压高度；其中，俯仰角

(x₀,y₀)为雷达的初始位置，(x₁,y₁)目标单元传输的无人机的位置；

目标单元的投影距离

步骤S4、比较时间戳相同的数传测量数据与雷达测量数据，得到雷达测量数据的测量误差。

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