CN111781587A - 一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距方法和系统 - Google Patents

一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距方法和系统 Download PDF

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CN111781587A CN202010500355.2A CN202010500355A CN111781587A CN 111781587 A CN111781587 A CN 111781587A CN 202010500355 A CN202010500355 A CN 202010500355A CN 111781587 A CN111781587 A CN 111781587A
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贺亚鹏
党红杏
张爱军
刘瑞东
解虎
郑适
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Abstract

一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距方法和系统，方法包括步骤如下：步骤1、根据控制信号，信号处理器产生雷达发射波形信号，发射波形信号经发射机上变频至射频频率并放大经收发开关从天线发射出去；步骤2、通过一副天线形成的凸波束和凹波束共两个波束同时获取着陆波束照射区的回波；步骤3、信号处理器对凸波束回波信号和凹波束回波信号的包络比进行计算；步骤4、计算回波包络比凹口的极小值点位置获得波束中心距离；求取回波包络比值为1的两个距离点的距离比，查表获得波束中心入射角的估计值。本发明消除了波束内各分辨单元回波功率距离路径衰减不一致、存在离散强散射点引起的回波包络非对称中心估计问题。

Description

一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距方法和系统
技术领域
本发明涉及一种微波测速测距敏感器高精度测距方法和系统，属于深空微波测速测距敏感器领域。
背景技术
微波测速测距敏感器是深空着陆探测器导航制导控制(GNC)分系统的重要载荷之一，在着陆下降段为GNC分系统提供探测器相对月面的距离、速度和波束入射角等信息，确保着陆精度和安全。如何设计雷达系统实现高精度波束中心求取和波束中心入射角估计是系统设计的关键环节。入射角参数是着陆区域地形倾角估计的重要参数，对着陆安全判定有着重要的意义。
传统测速测距敏感器径向距离测量采用高增益单波束测量，通过对非对称回波包络进行波束中心求取获得最终的径向距离。非对称回波包络中心求取是测距精度提升的主要受限因素，引起回波包络非对称因素主要为波束内各分辨单元回波功率距离路径衰减不一致、存在离散强散射点等。
如图1所示，传统的微波测速测距敏感器由信号处理器、发射机、接收机和天线组成。雷达加电后启动，接收外部输入控制信号开始工作，信号处理器产生所需的雷达发射波形信号，发射信号经发射机上变频至射频频率并放大经收发开关从天线发射出去。回波信号通过接收天线接收后，经收发开关馈入接收机进行放大、滤波、下变频，送给信号处理器进行模数变换，距离波束中心求取等处理获得目标距离测量。
对已公开的国内外微波测速测距敏感器相关资料进行调研，高精度测距方法主要通过改善波束中心求取算法来获得，从根本上无法避免波束内各分辨单元回波功率距离路径衰减不一致以及离散强散射点引起的回波包络非对称中心估计问题。还未有公开资料表明可以对波束入射角进行估计的方法。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术不足，本发明提出了一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距方法和系统，通过配置凸凹双波束同时获取着陆波束照射区的回波，消除了波束内各分辨单元回波功率距离路径衰减不一致、存在离散强散射点引起的回波包络非对称中心估计问题，提高测距精度的同时，可获得波束中心入射角的估计值，作为安全着陆的重要参数。
本发明技术解决方案是：一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距方法，包括步骤如下：
步骤1、根据控制信号，信号处理器产生雷达发射波形信号，发射波形信号经发射机上变频至射频频率并放大经收发开关从天线发射出去；
步骤2、通过一副天线形成的凸波束和凹波束共两个波束同时获取着陆波束照射区的回波；凸波束回波信号通过收发开关进入凸波束接收通道，进行放大、滤波、下变频，发送至信号处理器进行模数变换产生凸波束回波A(r)；凹波回波信号束进入凹波束接收通道进行放大、滤波、下变频，发送至信号处理器进行模数变换产生凹波束回波D(r)；r为雷达距离；
其中，凸波束由功率方向图PA(θ)表征，功率方向图PA(θ)为具有升余弦形状的功率方向图，波束宽度为θb，角度变量为θ，PA(θ)表示为
Figure BDA0002524568450000021
凹波束由功率方向图PD(θ)表征，功率方向图PD(θ)在PA(θ)最大值方向PD(θ)值为零，在PA(θ)主瓣范围内，PD(θ)具有一个凹口，PD(θ)表示为
Figure BDA0002524568450000022
步骤3、信号处理器对凸波束回波信号和凹波束回波信号的包络比R(r)进行计算；
步骤4、计算回波包络比凹口的极小值点位置获得波束中心距离；求取回波包络比值为1的两个距离点的距离比，查表获得波束中心入射角的估计值。
步骤3中，凸波束回波信号和凹波束回波信号的包络比R(r)为：
Figure BDA0002524568450000031
步骤4中，回波包络比R(r)凹口的极小值点位置为波束中心距离rc：
rc＝min[R(r)]；
其中，min[]为最小值求取运算。
步骤4中，回波包络比R(r)为1对应的两个距离值rn和rf的距离比ρnf：
Figure BDA0002524568450000032
rn<rf。
步骤4中，距离比ρnf和波束入射角θinc构成的函数为θinc＝F(PA(θ),PD(θ),ρnf)，将函数F制表，通过距离比ρnf查表获得波束入射角θinc的估计值。
一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距系统，包括信号处理器、发射机、收发开关、天线、接收机；
信号处理器根据控制信号产生雷达发射波形信号，发射波形信号经发射机上变频至射频频率并放大经收发开关从天线发射出去；
接收机包括凸波束接收通道、凹波束接收通道；天线通过凸波束和凹波束同时获取着陆波束照射区的回波；凸波束回波信号通过收发开关进入凸波束接收通道，进行放大、滤波、下变频，发送至信号处理器进行模数变换产生凸波束回波A(r)；凹波回波信号束进入凹波束接收通道进行放大、滤波、下变频，发送至信号处理器进行模数变换产生凹波束回波D(r)；r为雷达距离；
信号处理器对凸波束回波信号和凹波束回波信号的包络比R(r)进行计算，计算回波包络比R(r)凹口的极小值点位置获得波束中心距离，求取回波包络比为1的两个距离点的距离比，查表获得波束中心入射角的估计值。
凸波束回波信号和凹波束回波信号的包络比R(r)为：
Figure BDA0002524568450000041
凸波束由功率方向图PA(θ)表征，功率方向图PA(θ)为具有升余弦形状的功率方向图，波束宽度为θb，角度变量为θ，PA(θ)表示为
Figure BDA0002524568450000042
凹波束由功率方向图PD(θ)表征，凹波束功率方向图PD(θ)在PA(θ)最大值方向PD(θ)值为零，在PA(θ)主瓣范围内，PD(θ)具有一个凹口，PD(θ)表示为
Figure BDA0002524568450000043
回波包络比R(r)凹口的极小值点位置为波束中心距离rc：
rc＝min[R(r)]；
其中，min[]为最小值求取运算。
回波包络比R(r)为1对应的两个距离值rn和rf的距离比ρnf：
Figure BDA0002524568450000044
rn<rf。
距离比ρnf和波束入射角θinc构成的函数为θinc＝F(PA(θ),PD(θ),ρnf)，将函数F制表，通过距离比ρnf查表获得波束入射角θinc的估计值。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明通过凸凹双波束系统配置，信号处理计算双波束包络比获得包络比的极小值点位置指示目标回波包络中心的方法，可以获得高精度的距离测量，对提升测速测距敏感器测距精度有着重大意义。
(2)本发明采用波束中心入射角估计技术弥补了测速测距敏感器波束中心入射角估计测量空白，在深空领域探测微波测速测距敏感器领域，确保着陆安全中具有广阔的应用前景。
(3)本发明通过配置凸凹双波束同时获取着陆波束照射区的回波进行测距，消除了波束内各分辨单元回波功率距离路径衰减不一致、存在离散强散射点引起的回波包络非对称中心估计问题，提高测距精度的同时，可获得波束中心入射角的估计值，作为安全着陆的重要参数。
附图说明
图1是传统的微波测速测距敏感器系统组成示意图；
图2是本发明双波束微波测速测距敏感器高精度测距系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明：
如图2所示，一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距系统，包括信号处理器、发射机、收发开关、天线、接收机；
信号处理器根据控制信号产生雷达发射波形信号，发射波形信号经发射机上变频至射频频率并放大经收发开关从天线发射出去；
接收机包括凸波束接收通道、凹波束接收通道；天线通过凸波束和凹波束同时获取着陆波束照射区的回波；凸波束回波信号通过收发开关进入凸波束接收通道，进行放大、滤波、下变频，发送至信号处理器进行模数变换产生凸波束回波A(r)；凹波回波信号束进入凹波束接收通道进行放大、滤波、下变频，发送至信号处理器进行模数变换产生凹波束回波D(r)；r为雷达距离；
信号处理器对凸波束回波信号和凹波束回波信号的包络比R(r)进行计算，计算回波包络比R(r)凹口的极小值点位置获得波束中心距离，求取回波包络比为1的两个距离点的距离比，查表获得波束中心入射角的估计值。
凸波束由功率方向图PA(θ)表征，凸波束功率方向图PA(θ)为传统测速测距敏感器采用的升余弦形状的功率方向图，记波束宽度为θb，角度变量为θ，PA(θ)表示为
Figure BDA0002524568450000061
凹波束由功率方向图PD(θ)表征，凹波束功率方向图PD(θ)在PA(θ)最大值方向，即PA(θ)的波束中心指向，形成凹陷用于指示波束中心，在PA(θ)主瓣范围内，PD(θ)具有一个凹口，PD(θ)可用数学式表示为
Figure BDA0002524568450000062
两个波束回波信号经凸波束接收通道、凹波束接收通道组成的双通道进行放大、滤波、下变频，送给信号处理器进行模数变换产生凸波束回波A(r)和凹波束回波D(r)两路数字回波，r为雷达距离。
(1)高精度的距离测量
测速测距敏感器信号处理器对凸波束回波和凹波束回波的包络比R(r)进行计算，表示为：
Figure BDA0002524568450000063
回波包络比R(r)处理获得R(r)凹口的极小值点位置即为波束中心距离rc，获得波束距离的高精度测量，记最小值求取运算为min[]，波束中心距离rc表示为
rc＝min[R(r)]
(2)波束入射角的估计
回波包络比R(r)在主波束内呈“V”字形的形状，首先求取回波包络比R(r)为1对应的两个距离值rn和rf(rn<rf)。计算rn和rf的距离比ρnf，表示为
Figure BDA0002524568450000064
距离比ρnf和波束入射角θinc是单调递减函数，且与着陆器飞行高度无关，该函数为θinc＝F(PA(θ),PD(θ),ρnf)，将上述函数制表，通过距离比ρnf查表即可获得波束入射角θinc的估计值。
一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距方法，包括步骤如下：
步骤1、根据控制信号，信号处理器产生雷达发射波形信号，发射波形信号经发射机上变频至射频频率并放大经收发开关从天线发射出去；
步骤2、通过一副天线形成的凸波束和凹波束共两个波束同时获取着陆波束照射区的回波；凸波束回波信号通过收发开关进入凸波束接收通道，进行放大、滤波、下变频，发送至信号处理器进行模数变换产生凸波束回波A(r)；凹波回波信号束进入凹波束接收通道进行放大、滤波、下变频，发送至信号处理器进行模数变换产生凹波束回波D(r)；r为雷达距离；
其中，凸波束由功率方向图PA(θ)表征，功率方向图PA(θ)为具有升余弦形状的功率方向图，波束宽度为θb，角度变量为θ，PA(θ)表示为
Figure BDA0002524568450000071
凹波束由功率方向图PD(θ)表征，功率方向图PD(θ)在PA(θ)最大值方向PD(θ)值为零，在PA(θ)主瓣范围内，PD(θ)具有一个凹口，PD(θ)表示为
Figure BDA0002524568450000072
步骤3、信号处理器对凸波束回波信号和凹波束回波信号的包络比R(r)进行计算；
凸波束回波信号和凹波束回波信号的包络比R(r)为：
Figure BDA0002524568450000073
步骤4、计算回波包络比凹口的极小值点位置获得波束中心距离；求取回波包络比值为1的两个距离点的距离比，查表获得波束中心入射角的估计值；
回波包络比R(r)凹口的极小值点位置为波束中心距离rc：
rc＝min[R(r)]；
其中，min[]为最小值求取运算。
回波包络比R(r)为1对应的两个距离值rn和rf的距离比ρnf：
Figure BDA0002524568450000081
rn<rf。
距离比ρnf和波束入射角θinc构成的函数为θinc＝F(PA(θ),PD(θ),ρnf)，将函数F制表，通过距离比ρnf查表获得波束入射角θinc的估计值。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1、根据控制信号，信号处理器产生雷达发射波形信号，发射波形信号经发射机上变频至射频频率并放大经收发开关从天线发射出去；
步骤2、通过一副天线形成的凸波束和凹波束共两个波束同时获取着陆波束照射区的回波；凸波束回波信号通过收发开关进入凸波束接收通道，进行放大、滤波、下变频，发送至信号处理器进行模数变换产生凸波束回波A(r)；凹波回波信号束进入凹波束接收通道进行放大、滤波、下变频，发送至信号处理器进行模数变换产生凹波束回波D(r)；r为雷达距离；
其中，凸波束由功率方向图PA(θ)表征，功率方向图PA(θ)为具有升余弦形状的功率方向图，波束宽度为θb，角度变量为θ，PA(θ)表示为
Figure FDA0002524568440000011
凹波束由功率方向图PD(θ)表征，功率方向图PD(θ)在PA(θ)最大值方向PD(θ)值为零，在PA(θ)主瓣范围内，PD(θ)具有一个凹口，PD(θ)表示为
Figure FDA0002524568440000012
步骤3、信号处理器对凸波束回波信号和凹波束回波信号的包络比R(r)进行计算；
步骤4、计算回波包络比凹口的极小值点位置获得波束中心距离；求取回波包络比值为1的两个距离点的距离比，查表获得波束中心入射角的估计值。
2.根据权利要求1所述的一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距方法，其特征在于，步骤3中，凸波束回波信号和凹波束回波信号的包络比R(r)为：
Figure FDA0002524568440000021
3.根据权利要求1或2所述的一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距方法，其特征在于，步骤4中，回波包络比R(r)凹口的极小值点位置为波束中心距离rc：
rc＝min[R(r)]；
其中，min[]为最小值求取运算。
4.根据权利要求3所述的一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距方法，其特征在于，步骤4中，回波包络比R(r)为1对应的两个距离值rn和rf的距离比ρnf：
Figure FDA0002524568440000022
rn<rf。
5.根据权利要求3所述的一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距方法，其特征在于，步骤4中，距离比ρnf和波束入射角θinc构成的函数为θinc＝F(PA(θ),PD(θ),ρnf)，将函数F制表，通过距离比ρnf查表获得波束入射角θinc的估计值。
6.一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距系统，其特征在于，包括信号处理器、发射机、收发开关、天线、接收机；
信号处理器根据控制信号产生雷达发射波形信号，发射波形信号经发射机上变频至射频频率并放大经收发开关从天线发射出去；
接收机包括凸波束接收通道、凹波束接收通道；天线通过凸波束和凹波束同时获取着陆波束照射区的回波；凸波束回波信号通过收发开关进入凸波束接收通道，进行放大、滤波、下变频，发送至信号处理器进行模数变换产生凸波束回波A(r)；凹波回波信号束进入凹波束接收通道进行放大、滤波、下变频，发送至信号处理器进行模数变换产生凹波束回波D(r)；r为雷达距离；
信号处理器对凸波束回波信号和凹波束回波信号的包络比R(r)进行计算，计算回波包络比R(r)凹口的极小值点位置获得波束中心距离，求取回波包络比为1的两个距离点的距离比，查表获得波束中心入射角的估计值。
7.根据权利要求6所述的一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距系统，其特征在于，凸波束回波信号和凹波束回波信号的包络比R(r)为：
Figure FDA0002524568440000031
凸波束由功率方向图PA(θ)表征，功率方向图PA(θ)为具有升余弦形状的功率方向图，波束宽度为θb，角度变量为θ，PA(θ)表示为
Figure FDA0002524568440000032
凹波束由功率方向图PD(θ)表征，凹波束功率方向图PD(θ)在PA(θ)最大值方向PD(θ)值为零，在PA(θ)主瓣范围内，PD(θ)具有一个凹口，PD(θ)表示为
Figure FDA0002524568440000033
8.根据权利要求7所述的一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距系统，其特征在于，回波包络比R(r)凹口的极小值点位置为波束中心距离rc：
rc＝min[R(r)]；
其中，min[]为最小值求取运算。
9.根据权利要求8所述的一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距系统，其特征在于，回波包络比R(r)为1对应的两个距离值rn和rf的距离比ρnf：
Figure FDA0002524568440000034
rn<rf。
10.根据权利要求9所述的一种双波束微波测速测距敏感器高精度测距系统，其特征在于，距离比ρnf和波束入射角θinc构成的函数为θinc＝F(PA(θ),PD(θ),ρnf)，将函数F制表，通过距离比ρnf查表获得波束入射角θinc的估计值。
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CN112347613A (zh) * 2020-10-19 2021-02-09 西安空间无线电技术研究所 一种微波测速测距敏感器波形带宽快速设计方法
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