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一种多普勒雷达前向测速误差的修正方法

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熊启迪

摘要：本文介绍了一种多普勒雷达前向测速误差的修正方法。根据飞行数据样本计算出补偿因子，将补偿因子折算到雷达天线波束指向角中，通过修正天线波束指向角完成对雷达前向测速误差的修正。

关键词：多普勒雷达，前向测速误差，天线波束指向角;

1引言

多普勒测速雷达主要测量飞机或导弹等载体坐标系下的三轴向速度，供惯导系统实现惯性/多普勒组合导航功能。现有多普勒雷达多用于飞机上，对雷达测速精度要求不是很高，随着技术的发展和改进，多普勒雷达开始应用于弹用领域，对其体积、重量、特别是精度的要求更高，其精度指标要高于飞机上一倍左右。

弹用多普勒雷达的测速误差，包括内部和外部两种因素。内部因素主要有发射机的频率稳定度、频率跟踪器的跟踪精度、有限波束宽度引起的误差、天线轴线精度。内部因素是在雷达设计制造过程中产生的误差，在雷达设计时可对这些误差进行估计和控制。频率跟踪器的跟踪精度除了设计中元器件产生的误差还有在调试中人为的因素，因此在调试中需要控制每部产品频率跟踪器的跟踪误差，保证将每部产品频率跟踪器的跟踪误差降到最小，这样可以确保每部产品的一致性。外部因素主要有天线波束指向角测量误差、不同地貌散射引起的误差，外部因素在设计时无法对其进行准确估计。

弹用多普勒雷达安装在载体底部，采用“X”形配置四波束分时收发方式，每个波束有两个波束指向角α和λ，天线测试时需要分别测量这两个波束指向角，根据多普勒雷达速度公式，天线波束指向角参与雷达速度计算，因此天线波束指向角的测量精度直接影响着雷达的测速精度。雷达天线的测量采用平面近场测量技术，天线波束指向角的测量误差有场地校准误差，扫描架Z向位置误差，电缆相位误差，方向图峰值位置，探头安装准直，多次反射，扫描架热变形，其中场地校准误差可以计算出来，其余误差随机性较大，无法准确修正。

雷达的电磁波照射在各种不同地貌之间，照射的地表散射系数存在很大的变化。地貌偏差引起的速度误差量级公式如下：

通过公式〈1〉可以看出，速度误差量级公式与波束宽度、反射系数及载体速度有关，波束宽度在雷达设计时已固定，因此不同的地貌反射系数与载体速度会产生速度误差，弹用多普勒雷达在飞行中侧向速度很小，引起的误差可以忽略不计，但前向速度很大，其速度约是飞机上的数倍，因此较小的地貌偏差都會引起量级的误差，如果不进行修正则会引起弹用多普勒雷达的前向测速误差增大。由于地貌特性及种类比较复杂，很难选取一个合适因子来适应各种地貌。因此可以将天线波束指向角测量误差及地貌偏差合在一起进行修正，这样即达到了对雷达前向测速误差的修正。

2修正方法

多普勒雷达用于陆地地面上，从地表反射系数可以看出，陆地地面主要包括光滑贫瘠地表和粗糙的或灌木丛地形两种地貌，通过对国内陆地地貌考察，南方地区多为粗糙的或灌木丛地形，西北地区多为光滑贫瘠地表。在统计飞行数据样本时，选取南方和西北不同地区的数据样本，这样即覆盖了国内各种陆地地貌。

通过天线波束指向角测试公式计算出飞行数据样本产品的四个波束的场地校准还原指向角，以消除天线场地校准误差。

将四个波束的场地校准还原指向角代入飞行数据样本中，利用样本的多普勒频移，以差分GPS为基准，通过雷达速度解算公式，计算出每个数据样本前向速度误差的平均值，这样前向速度误差里包含有天线测试误差和地貌偏差。

再对所有数据样本误差平均值再取均值，由于数据样本选取的不同地貌下的，计算出的平均值即能够适用不同地貌下的补偿因子。

在对多普勒雷达进行修正时，首先利用测试的天线波束指向角原始值，通过天线波束指向角公式计算出场地校准还原指向角，利用雷达解算公式将地貌补偿因子折算到场地校准还原指向角中，再将修正后的天线波束指向角写入到雷达中，雷达在飞行过程中利用修正后的天线波束指向角进行速度解算，完成对多普勒雷达前向测速误差的修正。

3试验验证

按照上述方法对一部新多普勒雷达的前向波束指向角进行修正，修正完后该产品参加飞行试验，对飞行试验数据进行分析，统计出前向速度误差，再用修正前的前向波束指向角对飞行试验数据进行仿真，再统计出前向速度误差，统计结果如图1所示，从图中可以看出，修正前的前向速度误差为3‰，修正后的前向速度误差为1.8‰。表明此方法可以提高多普勒雷达的前向测速精度。

4结论

本文介绍了一种多普勒雷达前向测速误差的修正方法，将无法准确估计的天线测试误差和地貌偏差一起修正，且修正值准确，能够适应不同地貌。当有新的数据样本时，可按照上述方法将样本增加进去，重新计算补偿因子，样本数据越多，修正的越精确。此修正方法是通过修正天线波束指向角来完成对前向测速误差的修正，方法操作简单、准确易行。

Reference

[1]林宝玺，胡志英.多普勒雷达.国防工业出版社

[2]吴卫玲，宋喜报