CN103969631B - 星载微波雷达系统延时校准方法和校准设备 - Google Patents

Abstract

一种星载微波雷达系统延时校准方法和校准设备，采用高速高精度示波器直接测量微波雷达发射信号和回波信号到达天线口面的时间间隔，作为雷达与目标相对距离的真值，与微波雷达的测量值比较获得系统延时校准修正值。本发明可满足星载微波雷达对工作环境的严格要求，校准精度高，成本低、通用性好。

Description

星载微波雷达系统延时校准方法和校准设备

技术领域

本发明涉及航天领域，尤其涉及一种星载微波雷达系统延时校准方法和校准设备。

背景技术

雷达标校是雷达研制、试验、使用过程中的一项关键技术，目的是修正系统误差，提高雷达系统的测量精度。主动探测雷达的标校原理是：雷达跟踪固定方位标，测量固定方位标的距离角度值，真值测量设备测量固定方位标相对于雷达的距离、角度真值，对二者进行统计处理，得到雷达的零位误差。将零位误差与设计指标相比，决定是否对雷达进行调整并确定调整量的大小。

经过专利检索，共检索出相关发明专利一项，发明专利公开号为102608582，发明专利名称为一种舰载全相参相控阵雷达标校器。该发明专利提供一种舰载全相参相控阵雷达标校器，利用数字储频和延时转发技术逼真模拟雷达回波信号，适合在外场环境中实现相控阵雷达的有源标校。

文献《机载雷达有源标校方法研究》（“长春理工大学学报”，Vol. 33 No.2，Jun. 2010）指出，传统的雷达标校方法主要分为无源标校法和有源标校法，一般在靶场进行标校。其中，无源标校法采用角反射器作为雷达的跟踪目标，容易受到环境杂波的影响，测量精度不高；有源标校法则是采用信号源模拟点目标的回波信号，测量精度较高。

而星载微波雷达的伺服机构对工作环境的要求很高，不适合在靶场环境中进行标校，因此需要研究一种适合室内环境的微波雷达系统延时校准方法。

发明内容

本发明提供一种星载微波雷达系统延时校准方法和校准设备，可满足星载微波雷达对工作环境的严格要求，校准精度高，成本低、通用性好。

为了达到上述目的，本发明提供一种星载微波雷达系统延时校准方法，该校准方法包含以下步骤：

步骤S1、通过测量微波雷达发射信号和回波信号先后到达天线口面的时间间隔来获得目标距离真值；

步骤S2、将微波雷达的目标距离测量值与目标距离真值做差值运算，获得微波雷达系统的延时校准修正值；

步骤S3、利用延时校准修正值在微波雷达的测距算法中进行补偿，实现微波雷达的系统延时校准。

所述的步骤S1包含以下步骤：

步骤S1.1、分别测量发射信号到达天线口面的时刻和回波信号到达天线口面的时刻；

步骤S1.2、计算回波信号到达天线口面的时刻与发射信号到达天线口面的时刻的时间间隔Δt；

步骤S1.3、获得发射信号和回波信号之间的延时真值为Δt+td；

其中，td是功分器与天线导频口之间的第三高频电缆X3引入的延迟，td=l/c，l为电缆X3的长度，c为光速；

步骤S1.4、计算得到目标距离真值为c(Δt+td)/2。

所述的步骤S1中，利用示波器测量发射信号到达天线口面的时刻和回波信号到达天线口面的时刻。

所述的步骤S1中，利用示波器直接测量发射电缆输出端的信号获得测量发射信号到达天线口面的时刻，利用示波器直接测量目标模拟器回波信号的电缆输出端获得测量回波信号到达天线口面的时刻。

所述的步骤S1中，利用示波器测量发射信号的发出时刻从三个上升沿之后开始计算，利用示波器测量回波信号的到达时刻从三个上升沿之后开始计算。

所述的步骤S2中，利用目标模拟器产生任意距离D的雷达回波信号，雷达回波信号经过功分器后，另一路送至微波雷达天线导频口，经高频头产生三通道高频信号，并送至微波雷达信号处理组件进行处理获得微波雷达的目标距离测量值。

本发明还提供一种星载微波雷达系统延时校准设备，该设备包含：

目标模拟器，其通过第一高频电缆连接微波雷达信号处理组件的发射信号输出端；

功分器，其输入端通过第二高频电缆连接目标模拟器的回波信号输出端，其具有两个输出端，第一输出端连接示波器，第二输出端通过第三高频电缆连接天线导频口；

示波器，其通过第四高频电缆连接微波雷达信号处理组件的发射信号输出端。

该设备还包含通过第四高频电缆连接在微波雷达信号处理组件和示波器之间的放大器和检波器。

本发明具有如下优点：

1、可满足星载微波雷达对工作环境的严格要求

星载微波雷达的伺服机构对工作环境的要求很高，湿度必须控制在30%~50%，洁净度需达到10万级，无法采用传统方法在靶场环境中进行标定。本校准方法适合在有限的空间内进行，可以在满足环境要求的净化间中对星载微波雷达系统延时进行标定。

2、校准精度高

利用高速高精度的示波器测量星载微波雷达系统的延时误差，可以达到厘米级的精度，而传统的无源标校法和有源标校法都很难达到这样的校准精度。

3、成本低、通用性好

不需要到专门的靶场进行外场试验，降低了试验成本。采用雷达目标模拟设备产生回波信号，且对回波信号本身的延时精度要求不高，适用于不同工作体制微波雷达的系统延时校准。

附图说明

图1为微波雷达系统延时示意图。

图2为本发明提供的星载微波雷达系统延时校准方法示意图。

图3是本发明的流程图。

具体实施方式

以下根据图1～图3，具体说明本发明的较佳实施例。

图1为微波雷达系统延时示意图。首先，微波雷达信号处理组件1产生发射信号，经高频电缆送至环形器2，再经波导送至天线3，由天线口面向空间辐射雷达信号；然后，雷达信号经目标反射后回到天线口面，经波导送至高频头5，再经高频电缆送至信号处理组件1，实现目标距离等信息的测量。

显然，信号处理组件测距使用的发射信号和接收信号的时间间隔，除去雷达信号在天线与目标之间的往返时间，还包含雷达内部各级组件、电缆、波导存在的系统延时，需要通过标校试验对系统延时进行校准。

图2为星载微波雷达系统延时校准方法示意图。基本原理是利用示波器直接测量发射信号和接收信号到达天线口面的时间间隔，与雷达信号信号处理组件测得的距离延时作差，即得雷达系统延时误差。星载微波雷达的信号处理组件1的发射信号经第四高频电缆X4馈送至放大器104，放大器104将发射信号放大后，经过检波器105滤除高频信息后，获得基带编码信号送至示波器101，示波器101测量发射信号的发出时刻。与此同时，星载微波雷达的信号处理组件1通过第一高频电缆X1将发射信号同步输出到目标模拟器102，由目标模拟器102产生一系列相应距离的回波信号，经过目标模拟器102产生的雷达回波信号通过第二高频电缆X2输送至功分器103，经功分器103分成两路，一路送至示波器101测量回波信号的到达时刻，与发射信号的发出时刻作差运算，得到发射信号和接收信号到达天线口面的时间间隔，获得对应的标校距离真值，另一路经第三高频电缆X3送至天线导频口301，经高频头5产生三通道高频信号，送至微波雷达信号处理组件1得到距离延时测量值，将该测量值与标校距离真值作差运算，即得雷达系统延时校准值。

本发明采用高速高精度示波器测量微波雷达发射信号和回波信号先后到达天线口面的时间间隔，作为雷达与目标相对距离的真值，与微波雷达的测量值比较获得修正值，在微波雷达的测距算法中进行补偿，即可实现微波雷达的系统延时校准。因此，精确测量发射信号和回波信号到达天线口面的时间间隔是本发明的关键。

如图3所示，本发明提供的一种星载微波雷达系统延时校准方法，包含以下步骤：

步骤1、目标模拟器设置距离值D，则目标模拟器会产生距离D的雷达回波信号，该距离值D可设置成任意值。

步骤2、示波器测量发射信号到达天线口面的时刻。

可以利用示波器直接测量发射电缆输出端的信号获得测量发射信号到达天线口面的时刻。

由于微波雷达发射信号在信号处理组件的出口功率仅0dBm（峰峰值约667 mV），需要先通过放大器将发射信号放大至30dB，再经过检波器滤除高频信息获得基带编码信号后送至示波器。由于放大器会造成检波信号的失真，且失真发生在信号前端的两三个上升沿，因此测量发射信号的发出时刻从三个上升沿之后开始计算，本实施例中，以第五个上升沿为基准。

步骤3、示波器测量回波信号到达天线口面的时刻。

可以利用示波器直接测量目标模拟器回波信号的电缆输出端获得测量回波信号到达天线口面的时刻。

利用目标模拟器产生距离D的雷达回波信号，雷达回波信号经过功分器后，其中一路送至示波器测量回波信号的到达时刻，同样以回波信号的第五个上升沿为基准；

步骤4、获得微波雷达系统的目标距离测量值d。

利用目标模拟器产生距离D的雷达回波信号，雷达回波信号经过功分器后，另一路送至微波雷达天线导频口，经高频头产生三通道高频信号，并送至微波雷达信号处理组件进行处理获得目标距离测量值d。

步骤5、计算回波信号到达天线口面的时刻与发射信号到达天线口面的时刻的时间间隔Δt。

步骤6、获得发射信号和回波信号之间的延时真值为Δt+td，其中td是功分器与天线导频口之间的第三高频电缆X3引入的延迟（td=l/c，l为电缆X3的长度，c为光速）。

步骤7、计算得到与延时真值Δt+td对应的距离真值为c(Δt+td)/2。

步骤8、获得微波雷达系统的延时校准修正值Δd = d - c(Δt+td)/2。

步骤9、利用该延时校准修正值Δd在微波雷达的测距中进行补偿，即可实现微波雷达的系统延时校准。

本发明采用高速高精度示波器直接测量微波雷达发射信号和回波信号到达天线口面的时间间隔，作为雷达与目标相对距离的真值，与微波雷达的测量值比较获得系统延时校准修正值。系统的延时校准精度完全取决于示波器的测量精度，与目标模拟器产生回波信号本身的延时精度无关，减少了误差传递环节，有利于提高微波雷达系统延时校准精度。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种星载微波雷达系统延时校准方法，其特征在于，该校准方法包含以下步骤：

步骤S1、通过测量微波雷达发射信号和回波信号先后到达天线口面的时间间隔来获得目标距离真值；

步骤S2、将微波雷达的目标距离测量值与目标距离真值做差值运算，获得微波雷达系统的延时校准修正值；

步骤S3、利用延时校准修正值在微波雷达的测距算法中进行补偿，实现微波雷达的系统延时校准。

2.如权利要求1所述的星载微波雷达系统延时校准方法，其特征在于，所述的步骤S1包含以下步骤：

步骤S1.1、分别测量发射信号到达天线口面的时刻和回波信号到达天线口面的时刻；

步骤S1.2、计算回波信号到达天线口面的时刻与发射信号到达天线口面的时刻的时间间隔Δt；

步骤S1.3、获得发射信号和回波信号之间的延时真值为Δt+td；

其中，td是功分器与天线导频口之间的高频电缆(X3)引入的延迟，td＝l/c，l为电缆(X3)的长度，c为光速；

步骤S1.4、计算得到目标距离真值为c(Δt+td)/2。

3.如权利要求2所述的星载微波雷达系统延时校准方法，其特征在于，所述的步骤S1中，利用示波器测量发射信号到达天线口面的时刻和回波信号到达天线口面的时刻。

4.如权利要求3所述的星载微波雷达系统延时校准方法，其特征在于，所述的步骤S1中，利用示波器直接测量发射电缆输出端的信号获得测量发射信号到达天线口面的时刻，利用示波器直接测量目标模拟器回波信号的电缆输出端获得测量回波信号到达天线口面的时刻。

5.如权利要求4所述的星载微波雷达系统延时校准方法，其特征在于，所述的步骤S1中，利用示波器测量发射信号的发出时刻从三个上升沿之后开始计算，利用示波器测量回波信号的到达时刻从三个上升沿之后开始计算。

6.如权利要求1所述的星载微波雷达系统延时校准方法，其特征在于，所述的步骤S2中，利用目标模拟器产生任意距离D的雷达回波信号，雷达回波信号经过功分器后，一路送至微波雷达天线导频口，经高频头产生三通道高频信号，并将三通道高频信号送至微波雷达信号处理组件进行处理获得微波雷达的目标距离测量值。

7.一种星载微波雷达系统延时校准设备，其特征在于，该设备包含：

目标模拟器(102)，其通过第一高频电缆(X1)连接微波雷达信号处理组件(1)的发射信号输出端；

功分器(103)，其输入端通过第二高频电缆(X2)连接目标模拟器(102)的回波信号输出端，其具有两个输出端，第一输出端连接示波器(101)，第二输出端通过第三高频电缆(X3)连接天线导频口(301)；

示波器(101)，其通过第四高频电缆(X4)连接微波雷达信号处理组件(1)的发射信号输出端。

8.如权利要求7所述的星载微波雷达系统延时校准设备，其特征在于，该设备还包含通过第四高频电缆(X4)连接在微波雷达信号处理组件(1)和示波器(101)之间的放大器(104)和检波器(105)。