一種多普勒雷達(dá)前向測(cè)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(dá)前向測(cè)速誤差的修正方法。根據(jù)飛行數(shù)據(jù)樣本計(jì)算出補(bǔ)償因子，將補(bǔ)償因子折算到雷達(dá)天線波束指向角中，通過修正天線波束指向角完成對(duì)雷達(dá)前向測(cè)速誤差的修正。

關(guān)鍵詞：多普勒雷達(dá)，前向測(cè)速誤差，天線波束指向角;

1 引言

多普勒測(cè)速雷達(dá)主要測(cè)量飛機(jī)或?qū)椀容d體坐標(biāo)系下的三軸向速度，供慣導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)慣性/多普勒組合導(dǎo)航功能。現(xiàn)有多普勒雷達(dá)多用于飛機(jī)上，對(duì)雷達(dá)測(cè)速精度要求不是很高，隨著技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)，多普勒雷達(dá)開始應(yīng)用于彈用領(lǐng)域，對(duì)其體積、重量、特別是精度的要求更高，其精度指標(biāo)要高于飛機(jī)上一倍左右。

彈用多普勒雷達(dá)的測(cè)速誤差，包括內(nèi)部和外部?jī)煞N因素。內(nèi)部因素主要有發(fā)射機(jī)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(dá)設(shè)計(jì)制造過程中產(chǎn)生的誤差，在雷達(dá)設(shè)計(jì)時(shí)可對(duì)這些誤差進(jìn)行估計(jì)和控制。頻率跟蹤器的跟蹤精度除了設(shè)計(jì)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(cè)量誤差、不同地貌散射引起的誤差，外部因素在設(shè)計(jì)時(shí)無法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。

彈用多普勒雷達(dá)安裝在載體底部，采用“X”形配置四波束分時(shí)收發(fā)方式，每個(gè)波束有兩個(gè)波束指向角α和λ，天線測(cè)試時(shí)需要分別測(cè)量這兩個(gè)波束指向角，根據(jù)多普勒雷達(dá)速度公式，天線波束指向角參與雷達(dá)速度計(jì)算，因此天線波束指向角的測(cè)量精度直接影響著雷達(dá)的測(cè)速精度。雷達(dá)天線的測(cè)量采用平面近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，天線波束指向角的測(cè)量誤差有場(chǎng)地校準(zhǔn)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(zhǔn)直，多次反射，掃描架熱變形，其中場(chǎng)地校準(zhǔn)誤差可以計(jì)算出來，其余誤差隨機(jī)性較大，無法準(zhǔn)確修正。

雷達(dá)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(jí)公式如下：

通過公式〈1〉可以看出，速度誤差量級(jí)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(dá)設(shè)計(jì)時(shí)已固定，因此不同的地貌反射系數(shù)與載體速度會(huì)產(chǎn)生速度誤差，彈用多普勒雷達(dá)在飛行中側(cè)向速度很小，引起的誤差可以忽略不計(jì)，但前向速度很大，其速度約是飛機(jī)上的數(shù)倍，因此較小的地貌偏差都會(huì)引起量級(jí)的誤差，如果不進(jìn)行修正則會(huì)引起彈用多普勒雷達(dá)的前向測(cè)速誤差增大。由于地貌特性及種類比較復(fù)雜，很難選取一個(gè)合適因子來適應(yīng)各種地貌。因此可以將天線波束指向角測(cè)量誤差及地貌偏差合在一起進(jìn)行修正，這樣即達(dá)到了對(duì)雷達(dá)前向測(cè)速誤差的修正。

2 修正方法

多普勒雷達(dá)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(duì)國(guó)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(jì)飛行數(shù)據(jù)樣本時(shí)，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(guó)內(nèi)各種陸地地貌。

通過天線波束指向角測(cè)試公式計(jì)算出飛行數(shù)據(jù)樣本產(chǎn)品的四個(gè)波束的場(chǎng)地校準(zhǔn)還原指向角，以消除天線場(chǎng)地校準(zhǔn)誤差。

將四個(gè)波束的場(chǎng)地校準(zhǔn)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(zhǔn)，通過雷達(dá)速度解算公式，計(jì)算出每個(gè)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(cè)試誤差和地貌偏差。

再對(duì)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(jì)算出的平均值即能夠適用不同地貌下的補(bǔ)償因子。

在對(duì)多普勒雷達(dá)進(jìn)行修正時(shí)，首先利用測(cè)試的天線波束指向角原始值，通過天線波束指向角公式計(jì)算出場(chǎng)地校準(zhǔn)還原指向角，利用雷達(dá)解算公式將地貌補(bǔ)償因子折算到場(chǎng)地校準(zhǔn)還原指向角中，再將修正后的天線波束指向角寫入到雷達(dá)中，雷達(dá)在飛行過程中利用修正后的天線波束指向角進(jìn)行速度解算，完成對(duì)多普勒雷達(dá)前向測(cè)速誤差的修正。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述方法對(duì)一部新多普勒雷達(dá)的前向波束指向角進(jìn)行修正，修正完后該產(chǎn)品參加飛行試驗(yàn)，對(duì)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)出前向速度誤差，再用修正前的前向波束指向角對(duì)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，再統(tǒng)計(jì)出前向速度誤差，統(tǒng)計(jì)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(dá)的前向測(cè)速精度。

4 結(jié)論

本文介紹了一種多普勒雷達(dá)前向測(cè)速誤差的修正方法，將無法準(zhǔn)確估計(jì)的天線測(cè)試誤差和地貌偏差一起修正，且修正值準(zhǔn)確，能夠適應(yīng)不同地貌。當(dāng)有新的數(shù)據(jù)樣本時(shí)，可按照上述方法將樣本增加進(jìn)去，重新計(jì)算補(bǔ)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(duì)前向測(cè)速誤差的修正，方法操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確易行。

參考文獻(xiàn)

[1] 林寶璽，胡志英.多普勒雷達(dá).國(guó)防工業(yè)出版社

[2] 吳衛(wèi)玲，宋喜報(bào).多普勒測(cè)速雷達(dá)測(cè)速誤差分析[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2000

[3] 宋軍杰.機(jī)載多普勒測(cè)速雷達(dá)測(cè)速精度分析[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000