一種多普勒雷達前向測速誤差的修正方法

熊啟迪

摘要：本文介紹了一種多普勒雷達前向測速誤差的修正方法。根據(jù)飛行數(shù)據(jù)樣本計算出補償因子，將補償因子折算到雷達天線波束指向角中，通過修正天線波束指向角完成對雷達前向測速誤差的修正。

關(guān)鍵詞：多普勒雷達，前向測速誤差，天線波束指向角;

1 引言

多普勒測速雷達主要測量飛機或?qū)椀容d體坐標系下的三軸向速度，供慣導系統(tǒng)實現(xiàn)慣性/多普勒組合導航功能?，F(xiàn)有多普勒雷達多用于飛機上，對雷達測速精度要求不是很高，隨著技術(shù)的發(fā)展和改進，多普勒雷達開始應用于彈用領(lǐng)域，對其體積、重量、特別是精度的要求更高，其精度指標要高于飛機上一倍左右。

彈用多普勒雷達的測速誤差，包括內(nèi)部和外部兩種因素。內(nèi)部因素主要有發(fā)射機的頻率穩(wěn)定度、頻率跟蹤器的跟蹤精度、有限波束寬度引起的誤差、天線軸線精度。內(nèi)部因素是在雷達設計制造過程中產(chǎn)生的誤差，在雷達設計時可對這些誤差進行估計和控制。頻率跟蹤器的跟蹤精度除了設計中元器件產(chǎn)生的誤差還有在調(diào)試中人為的因素，因此在調(diào)試中需要控制每部產(chǎn)品頻率跟蹤器的跟蹤誤差，保證將每部產(chǎn)品頻率跟蹤器的跟蹤誤差降到最小，這樣可以確保每部產(chǎn)品的一致性。外部因素主要有天線波束指向角測量誤差、不同地貌散射引起的誤差，外部因素在設計時無法對其進行準確估計。

彈用多普勒雷達安裝在載體底部，采用“X”形配置四波束分時收發(fā)方式，每個波束有兩個波束指向角α和λ，天線測試時需要分別測量這兩個波束指向角，根據(jù)多普勒雷達速度公式，天線波束指向角參與雷達速度計算，因此天線波束指向角的測量精度直接影響著雷達的測速精度。雷達天線的測量采用平面近場測量技術(shù)，天線波束指向角的測量誤差有場地校準誤差，掃描架Z向位置誤差，電纜相位誤差，方向圖峰值位置，探頭安裝準直，多次反射，掃描架熱變形，其中場地校準誤差可以計算出來，其余誤差隨機性較大，無法準確修正。

雷達的電磁波照射在各種不同地貌之間，照射的地表散射系數(shù)存在很大的變化。地貌偏差引起的速度誤差量級公式如下：

通過公式〈1〉可以看出，速度誤差量級公式與波束寬度、反射系數(shù)及載體速度有關(guān)，波束寬度在雷達設計時已固定，因此不同的地貌反射系數(shù)與載體速度會產(chǎn)生速度誤差，彈用多普勒雷達在飛行中側(cè)向速度很小，引起的誤差可以忽略不計，但前向速度很大，其速度約是飛機上的數(shù)倍，因此較小的地貌偏差都會引起量級的誤差，如果不進行修正則會引起彈用多普勒雷達的前向測速誤差增大。由于地貌特性及種類比較復雜，很難選取一個合適因子來適應各種地貌。因此可以將天線波束指向角測量誤差及地貌偏差合在一起進行修正，這樣即達到了對雷達前向測速誤差的修正。

2 修正方法

多普勒雷達用于陸地地面上，從地表反射系數(shù)可以看出，陸地地面主要包括光滑貧瘠地表和粗糙的或灌木叢地形兩種地貌，通過對國內(nèi)陸地地貌考察，南方地區(qū)多為粗糙的或灌木叢地形，西北地區(qū)多為光滑貧瘠地表。在統(tǒng)計飛行數(shù)據(jù)樣本時，選取南方和西北不同地區(qū)的數(shù)據(jù)樣本，這樣即覆蓋了國內(nèi)各種陸地地貌。

通過天線波束指向角測試公式計算出飛行數(shù)據(jù)樣本產(chǎn)品的四個波束的場地校準還原指向角，以消除天線場地校準誤差。

將四個波束的場地校準還原指向角代入飛行數(shù)據(jù)樣本中，利用樣本的多普勒頻移，以差分GPS為基準，通過雷達速度解算公式，計算出每個數(shù)據(jù)樣本前向速度誤差的平均值，這樣前向速度誤差里包含有天線測試誤差和地貌偏差。

再對所有數(shù)據(jù)樣本誤差平均值再取均值，由于數(shù)據(jù)樣本選取的不同地貌下的，計算出的平均值即能夠適用不同地貌下的補償因子。

在對多普勒雷達進行修正時，首先利用測試的天線波束指向角原始值，通過天線波束指向角公式計算出場地校準還原指向角，利用雷達解算公式將地貌補償因子折算到場地校準還原指向角中，再將修正后的天線波束指向角寫入到雷達中，雷達在飛行過程中利用修正后的天線波束指向角進行速度解算，完成對多普勒雷達前向測速誤差的修正。

3 試驗驗證

按照上述方法對一部新多普勒雷達的前向波束指向角進行修正，修正完后該產(chǎn)品參加飛行試驗，對飛行試驗數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計出前向速度誤差，再用修正前的前向波束指向角對飛行試驗數(shù)據(jù)進行仿真，再統(tǒng)計出前向速度誤差，統(tǒng)計結(jié)果如圖1所示，從圖中可以看出，修正前的前向速度誤差為3‰，修正后的前向速度誤差為1.8‰。表明此方法可以提高多普勒雷達的前向測速精度。

4 結(jié)論

本文介紹了一種多普勒雷達前向測速誤差的修正方法，將無法準確估計的天線測試誤差和地貌偏差一起修正，且修正值準確，能夠適應不同地貌。當有新的數(shù)據(jù)樣本時，可按照上述方法將樣本增加進去，重新計算補償因子，樣本數(shù)據(jù)越多，修正的越精確。此修正方法是通過修正天線波束指向角來完成對前向測速誤差的修正，方法操作簡單、準確易行。

參考文獻

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