CN101943753A - 一种微波雷达波束中心向速度的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，包括下列步骤：根据距离不模糊原则选择互质的脉冲重复频率(以下简称重频)，根据作用距离和检测信噪比的要求选择每种重频的脉冲积累个数，发射脉冲信号，并接收星球表面回波，检测最大功率点地距离门号，将该距离门的回波数据进行多普勒相关处理，后求得有模糊的波束中心向速度；将所有重频的脉冲依次处理后，按照“改进的余数定理”准则解算速度模糊次数，再结合有模糊的速度结果即可求出真实的波束中心向速度。本方法仅适用于脉冲雷达体制，可以同时测量水平和垂直两维速度分量在波束向的投影，并且可以兼顾距离测量功能，具有测量精度高，工程实现较简单的特点。

Description

一种微波雷达波束中心向速度的测量方法 

技术领域

本发明涉及一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，尤其涉及到星球着陆器利用微波雷达测量波束中心向速度测量方法。 

背景技术

星球着陆器一般安装于轨道器上，在开始着陆前随轨道器一起以较大的速度绕星球飞行。着陆器的着陆过程为：首先，着陆器与轨道器分离，此时着陆器仍具有较大的速度。由微波着陆雷达测量着陆器运动速度，提供给GNC系统控制着陆器减速。对于星球着陆，着陆点一般都是事先选定的，因此，GNC系统需要控制着陆器飞行速度和高度，使其到达预定着陆点上空时，水平和垂直两维速度要控制到接近为零。此时对星球表面进行三维成像，以选择较为平坦的区域使着陆器安全着陆。可以看出，在整个着陆器着陆过程中，GNC系统都需要利用微波着陆雷达测量着陆器相对星球表面速度，速度测量的精确度是关系到着陆器能否实现安全着陆的重要参数。 

目前国内外能够应用于着陆雷达速度测量的方法主要有简单连续波测量方法，距离微分法和动目标检测法。简单连续波测量方法可同时测量垂直和水平向速度，但由于天线隔离度无法做到足够高，泄漏信号会限制雷达的最远作用距离，同时该方法无法进行距离信息测量，因此对于着陆系统需增加另外的硬件设备来完成距离信息的提取；距离微分法主要应用于测高仪，通过高度的微分换算垂直速度分量，该方法最大的问题在于无法测量水平速度分量，难以全面的为着陆器提供速度信息；动目标检测法利用面目标回波的多普勒展宽效应，对电平超过检测门限的频谱进行几何中心求取，从而推导出波束中心向的速度值。该方法可以同时测量水平和垂直两维速度矢量，但其测量精度受限于检测门限的选取，尤其当信噪比较低时，由于门限选取带来的速度测量误差将较大。 

由于着陆器速度较大，不可避免的会产生速度模糊，同时着陆系统GNC希望雷达能够独立于其他传感器独立工作，因此，雷达只能通过自身算法对模糊数进行解算。目前探测雷达解速度模糊的方法有很多，比如多基线解模糊法，最小二乘解模糊法、多重频查表法等。其中经典的解模糊算法发射三组参差频率，利用中国余数定理进行解算。 

利用传统的中国余数定理，假设雷达发射的脉冲重复频率为prf₁、prf₂、prf₃，目标真实频率为f，则： 

f₁＝N₁×prf₁+f_d1

f₂＝N₂×prf₂+f_d2

f₃＝N₃×prf₃+f_d3

其中，f_di为有模糊的多普勒频率，可以根据频率范围遍历N₁、N₂、N₃，使f₁＝f₂＝f₃＝f，则可以确定出相应的模糊次数。但考虑到着陆系统运动速度的高变化率，其多普勒频率是始终在改变的，因此利用传统余数定理无法找到同时满足三种频率的整数(模糊次数)。因此如果简单的利用余数定理是无法完成模糊次数解算的。 

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，本发明采用改进的余数定理进行模糊次数解算，可以准确测量着陆器水平和垂直速度分量，具有测量精度高、工程实现较简单的特点，能够引导着陆器实现安全着陆。 

本发明的技术解决方案是：一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，包括以下几个步骤： 

(1)着陆器上的微波雷达先向星球表面发射至少n组互为质数的重频脉冲，其中每组重频脉冲为N个，在星球表面产生的至少n组回波信号由着陆器上的微波雷达进行采集，每组回波信号形成按照距离向和方位向存储的二维矩阵，每组回波信号分别记做s(t，t_m)： 

$s(t,t_m)=\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_c(t-\frac{2R\left(t_m\right)}{c}))$

其中： 

n＝7； 

N≥128； 

t_m为慢时间，即方位维时间； 

t为快时间，即距离维时间； 

f_c为着陆器雷达发射信号的载波频率； 

R(t_m)为雷达波束中心向的距离； 

c为光速； 

(2)对至少n组回波信号分别求取距离方向幅度最大的波门，每组回波信号分别以距离方向幅度最大处的波门为雷达波束中心距离，在该距离波门上利用多普勒相关法分别求取n组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度，每组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度分别记做： 

$f_{\mathrm{dn}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\×{\mathrm{prf}}_n}\×\arg \left\{R(\hat{n},1)\right\}$

$v_{\mathrm{dn}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\×f_{\mathrm{dn}}$

其中： 

f_dn为该组有模糊的多普勒中心频率； 

prf_n为该组脉冲重复频率； 

为该组回波信号s(t，t_m)的相关函数； 

arg为角度求取函数； 

v_dn为该组有模糊的波束中心向速度； 

λ为回波信号的波长； 

(3)利用“改进的余数定理”准则对步骤(2)中获得的有模糊的波束中 心向速度进行模糊次数解算得到模糊次数N_i； 

其中“改进的余数定理”判断准则为：存在整数N₁、N₂、、、N₅，使|f_i-f_j|＜Δf，即只有任意两个多普勒频率差都小于判据频率Δf时，则该整数组为真实模糊次数，其中1≤i≤5，1≤j≤5，f_i＝k*prf_i+f_di，k为整数，其取值范围满足：k∈[-m，m]，m为遍历次数，prf_i为有效的脉冲重复频率，f_di为步骤(2)中求取的其中5个有模糊的多普勒中心频率； 

有效的脉冲重复频率prf_i的判断方法为：有模糊的多普勒中心频率f_di满足“2×Δf≤f_di≤prf_ni-2×Δf”条件的脉冲重复频率为有效的脉冲重复频率，其中prf_ni为步骤(2)求取的其中5个脉冲重复频率； 

(4)利用步骤(2)获得的有模糊的波束中心向速度和步骤(3)获得的模糊次数测量出着陆器波束中心向速度v_r， 

$v_r=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\×(\mathrm{prf}\×N)+v_d$

其中： 

λ为回波信号的波长； 

prf为与步骤(3)中得到5个有效脉冲重复频率中的任意一个； 

N为与脉冲重复频率prf相对应的解算出的模糊次数； 

v_d为与脉冲重复频率prf相对应的有模糊的波束中心向速度。 

所述步骤(3)中Δf的确定方法为：某个距离段速度的最大变化率为Δv_max，λ为回波信号的工作波长，δf为雷达频率提取随机误差，则： 

所述遍历次数m大于 

其中，Δv_max为某个距离段速度的最大变化率，prf_min为最小的脉冲重复频率，λ为回波信号的工作波长。微波雷达将测量出来的波束中心向速度值提供给着陆器GNC系统，GNC系统根据天线波束与着陆器本体坐标系关系计算出着陆器本体的速度，以引导着陆器实现安全着陆。 

本发明与现有技术相比的有益效果是：本方法适用于脉冲雷达体制，特别适合大动态回波的测量(速度\距离)，兼具脉冲体制和简单连续波体制的优点，通过采用改进的余数定理进行模糊次数解算，速度模糊问题得到很好的解决，算法简单，利用本发明可以同时测量水平和垂直两维速度分量在雷达波束向的投影，速度测量精度高，并且可以兼顾距离测量功能，再结合有模糊的速度结果即可求出真实的波束中心向速度，本发明工程实现简单，能够引导着陆器实现安全着陆。 

附图说明

图1为着陆雷达波束指向的几何示意图； 

图2本发明波束中心向速度测量处理流程图； 

图3为距离向和方位向示意图； 

图4为本发明在机载试验中雷达测量速度结果和由惯导计算出的速度的比较图。 

具体实施方式

如图1所示，卫星平台从A点运动到B点，A、B在面yox上，A、B为着陆器在着陆过程中的任意两点。xoz为星球表面，AB与x轴(水平线)夹角为β，波束方位角为θ，俯仰角为 

波束与星球表面之间的夹角始终保持不变，星球表面上有一个点E，在平台从A运动到B的过程中，E点始终能被波束照射到，则平台在B点时E点到雷达的距离R(t_m)可以表示成： 

其中，t_m为慢时间，也就是方位维时间，v为着陆器运动速度。 

本发明完整的处理流程如图2所示，步骤如下： 

(1)着陆器上的微波雷达先向星球表面发射至少n组互为质数的重频脉冲，其中每组重频脉冲为N个，在星球表面产生的至少n组回波信号由着陆器上的微波雷达进行采集，每组回波信号形成按照距离向和方位向存储的二维矩阵，每组回波信号分别记做s(t，t_m)： 

$s(t,t_m)=\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_c(t-\frac{2R\left(t_m\right)}{c}))$

其中： 

n＝7； 

N≥128； 

t_m为慢时间，即方位维时间； 

t为快时间，即距离维时间； 

f_c为着陆器雷达发射信号的载波频率； 

R(t_m)为雷达波束中心向的距离； 

c为光速； 

(2)对至少n组回波信号分别求取距离方向幅度最大的波门，每组回波信号分别以距离方向幅度最大处的波门为雷达波束中心距离，在该距离波门上利用多普勒相关法分别求取n组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度，每组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度分别记做： 

$f_{\mathrm{dn}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\×{\mathrm{prf}}_n}\×\arg \left\{R(\hat{n},1)\right\}$

$v_{\mathrm{dn}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\×f_{\mathrm{dn}}$

其中： 

f_dn为该组有模糊的多普勒中心频率； 

prf_n为该组脉冲重复频率； 

为该组回波信号s(t，t_m)的相关函数； 

arg为角度求取函数； 

v_dn为该组有模糊的波束中心向速度； 

λ为回波信号的波长； 

(3)利用“改进的余数定理”准则对步骤(2)中获得的有模糊的波束中 心向速度进行模糊次数解算得到模糊次数N_i； 

其中“改进的余数定理”判断准则为：存在整数N₁、N₂、、、N₅，使|f_i-f_j|＜Δf，即只有任意两个多普勒频率差都小于判据频率Δf时，则认为该整数组为真实模糊次数，其中1≤i≤5，1≤j≤5，f_i＝k*prf_i+f_di，k为整数，其取值范围满足：k∈[-m，m]，m为遍历次数，prf_i为有效的脉冲重复频率，f_di为步骤(2)中求取的其中5个有模糊的多普勒中心频率； 

有效的脉冲重复频率prf_i的判断方法为：有模糊的多普勒中心频率f_di满足“2×Δf≤f_di≤prf_ni-2×Δf”条件的脉冲重复频率为有效的脉冲重复频率，其中prf_ni为步骤(2)求取的其中5个脉冲重复频率； 

(4)利用步骤(2)获得的有模糊的波束中心向速度和步骤(3)获得的模糊次数测量出着陆器波束中心向速度v_r， 

$v_r=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\×(\mathrm{prf}\×N)+v_d$

其中： 

λ为回波信号的波长； 

prf为与步骤(3)中得到5个有效脉冲重复频率中的任意一个； 

N为与脉冲重复频率prf相对应的解算出的模糊次数； 

v_d为与脉冲重复频率prf相对应的有模糊的波束中心向速度。 

所述步骤(3)中Δf的确定方法为：某个距离段速度的最大变化率为Δv_max，λ为回波信号的工作波长，δf为雷达频率提取随机误差，则： 

所述遍历次数m大于 

其中，Δv_max为某个距离段速度的最大变化率，prf_min为最小的脉冲重复频率，λ为回波信号的工作波长。 

例如： 

本发明方法在实施时，首先要根据距离不模糊原则选择7种互质的脉冲重复频率，即7种参差频。并根据作用距离和检测信噪比的要求选择每组重频的 脉冲个数N。 

微波着陆雷达发射电磁波经星球表面反射后被雷达接收并存储，形成按照距离向和方位向存储的二维矩阵。收到的回波s(t，t_m)可以写成： 

$s(t,t_m)=\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_c(t-\frac{2R\left(t_m\right)}{c}))$

其中，t_m为慢时间，也就是方位维时间；t为快时间，即距离维时间。f_c为着陆器雷达的载波频率，c为光速。收到的回波二维矩阵如图3所示，每个脉冲回波是按照距离向排列的(图3中的每个小格代表一个距离单元)，不同脉冲间同一回波信号是按照方位向排列的。 

检测距离向功率最大点，以该距离波门为波束中心距离。在该距离波门上，按照方位向进行多普勒相关处理，可以得到有模糊的波束中向速度为： 

$f_d=\frac{1}{2\mathrm{\π}\×\mathrm{prf}}\×\arg \left\{R(\hat{n},1)\right\}$

$v_d=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\×f_d$

其中， 为s(t，t_m)的相关函数，arg为角度求取函数。 

按照以上方法分别计算7种参差频率的有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中向速度。 

然后，利用“改进的余数定理”判断准则求取速度模糊次数。 

此处假定选取的7种互质的无距离模糊的脉冲重复频率分别为： 

1)prf₁＝2048Hz＝2¹¹Hz 

2)prf₂＝2783Hz＝11×11×23Hz 

3)prf₃＝3481Hz＝59²Hz 

4)prf₄＝3125Hz＝5⁵Hz 

5)prf₅＝2401Hz＝7⁴Hz 

6)prf₆＝2187Hz＝3⁷Hz 

7)prf₇＝2581Hz＝29×89Hz 

依次发射7种重频脉冲，每组256个。假定着陆器初始速度为1000m/s， 雷达信号波长为0.01m。初始速度对应的多普勒频率为200000Hz(即 )，并且着陆器匀减速运动。即理论上对应于各组脉冲的多普勒频率为： 

1)f₁＝200000Hz 

2)f₂＝199988Hz 

3)f₃＝199976Hz 

4)f₄＝199964Hz 

5)f₅＝199952Hz 

6)f₆＝199940Hz 

7)f₇＝199928Hz 

假设雷达随即误差产生的多普勒频率波动δf≤150Hz，由以上条件可以求得： 

$\mathrm{\Δf}=\frac{2\×\mathrm{\Δ}{v}_{\max }}{\mathrm{\λ}}+\mathrm{\δf}=\max (f_i-f_j)+\mathrm{\δf}=222\mathrm{Hz}$

假设由多普勒相关法求得的多普勒中心频率分别为： 

1)f_d1＝1369Hz 

2)f_d2＝2430Hz 

3)f_d3＝1539Hz 

4)f_d4＝3089Hz 

5)f_d5＝709Hz 

6)f_d6＝963Hz 

7)f_d7＝1161Hz 

按照“有效”重频脉冲选择规则，根据条件“2×Δf≤f_di≤prf_i-2×Δf”，剔除了prf₂和prf₄，利用剩余的5组重频数据计算模糊次数。 

遍历次数m需略大于 

此处，m取100。 

此时，利用公式f_i＝k*prf_i+f_di，k∈[-m，m]遍历k，使条件|f_i-f_j|＜Δf成立。 计算可知，当N₁＝97，N₂＝57，N₃＝112，N₄＝91，N₅＝77时，上述条件成立。此时也就得到了对应于每组有效重频的模糊次数。 

步骤(3)，利用公式 

可以求得v_r＝1000.1m/s，此结果也与之前假设的理论值相符，证明了“改进的余数定理”解速度模糊次数的有效性。本方法速度测量精度可以达到0.1m/s。为了全面验证微波雷达的速度测量性能，利用直升机模拟着陆器下降过程，将微波着陆雷达安装于直升飞机机腹下，天线波束照射到地面上。雷达发射电磁波，并接收地面回波，经信号处理后将速度结果输出。与飞机上安装的惯导速度数据进行比对，以检验微波着陆雷达的速度测量性能。图4为机载试验中雷达测量得到的速度结果和由惯导计算出的速度的比较图。从机载试验结果可以看出，本发明的波束中心速度测量方法适合于着陆系统，精度满足着陆系统需求。 

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。 

Claims (3)

1.一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，其特征在于包括以下几个步骤：

(1)着陆器上的微波雷达先向星球表面发射至少n组互为质数的重频脉冲，其中每组重频脉冲为N个，在星球表面产生的至少n组回波信号由着陆器上的微波雷达进行采集，每组回波信号形成按照距离向和方位向存储的二维矩阵，每组回波信号分别记做s(t，t_m)：

$s(t,t_m)=\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_c(t-\frac{2R\left(t_m\right)}{c}))$

其中：

n＝7；

N≥128；

t_m为慢时间，即方位维时间；

t为快时间，即距离维时间；

f_c为着陆器雷达发射信号的载波频率；

R(t_m)为雷达波束中心向的距离；

c为光速；

(2)对至少n组回波信号分别求取距离方向幅度最大的波门，每组回波信号分别以距离方向幅度最大处的波门为雷达波束中心距离，在该距离波门上利用多普勒相关法分别求取n组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度，每组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度分别记做：

$f_{\mathrm{dn}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\×{\mathrm{prf}}_n}\×\arg \left\{R(\hat{n},1)\right\}$

$v_{\mathrm{dn}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\×f_{\mathrm{dn}}$

其中：

f_dn为该组有模糊的多普勒中心频率；

prf_n为该组脉冲重复频率；

为该组回波信号s(t，t_m)的相关函数；

arg为角度求取函数；

v_dn为该组有模糊的波束中心向速度；

λ为回波信号的波长；

(3)利用“改进的余数定理”准则对步骤(2)中获得的有模糊的波束中心向速度进行模糊次数解算得到模糊次数N_i；

其中“改进的余数定理”判断准则为：存在整数N₁、N₂、、、N₅，使|f_i-f_j|＜Δf，即只有任意两个多普勒频率差都小于判据频率Δf时，则该整数组为真实模糊次数，其中1≤i≤5，1≤j≤5，f_i＝k*prf_i+f_di，k为整数，其取值范围满足：k∈[-m，m]，m为遍历次数，prf_i为有效的脉冲重复频率，f_di为步骤(2)中求取的其中5个有模糊的多普勒中心频率；

有效的脉冲重复频率prf_i的判断方法为：有模糊的多普勒中心频率f_di满足“2×Δf≤f_di≤prf_ni-2×Δf”条件的脉冲重复频率为有效的脉冲重复频率，其中prf_ni为步骤(2)求取的其中5个脉冲重复频率；

(4)利用步骤(2)获得的有模糊的波束中心向速度和步骤(3)获得的模糊次数测量出着陆器波束中心向速度v_r，

$v_r=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\×(\mathrm{prf}\×N)+v_d$

其中：

λ为回波信号的波长；

prf为与步骤(3)中得到5个有效脉冲重复频率中的任意一个；

N为与脉冲重复频率prf相对应的解算出的模糊次数；

v_d为与脉冲重复频率prf相对应的有模糊的波束中心向速度。

2.根据权利要求1所述的一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中Δf的确定方法为：某个距离段速度的最大变化率为Δv_max，λ为回波信号的工作波长，δf为雷达频率提取随机误差，则： $\mathrm{\Δf}=\frac{2\×\mathrm{\Δ}{v}_{\max }}{\mathrm{\λ}}+\mathrm{\δf}.$

3.根据权利要求2所述的一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，其特征在于：所述遍历次数m大于

其中，Δv_max为某个距离段速度的最大变化率，prf_min为最小的脉冲重复频率，λ为回波信号的工作波长。

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