CN112881990B - 基于天线近场测试的多普勒雷达速度解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于天线近场测试的多普勒雷达速度解算方法，主要解决雷达天线远场测试方法测试精度低、一致性差和雷达天线波束不对称性对雷达测速精度影响的问题。其实现方案是：1)设计天线测试工装，搭建多普勒雷达近场测试系统；2)利用多普勒雷达近场测试系统对雷达天线进行测试，得到天线4个波束的指向角数据；3)利用天线波束指向角数据解算天线方向余弦参数和波束补偿矩阵；4)根据天线方向余弦参数、波束补偿矩阵和测量的多普勒频移解算出雷达三轴向速度。本发明提升了天线的测试精度和稳定度，保证了天线测试的一致性，消除了天线波束指向角不对称性引起的测速误差，提升雷达的测速精度，可用于对雷达天线的测试。

Description

基于天线近场测试的多普勒雷达速度解算方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域和机载导航领域，特别是一种多普勒雷达速度解算方法，可用于对雷达天线的测试。

背景技术

多普勒雷达根据多普勒效应，向地面发射电磁波并接收雷达回波，当频率发射体和频率接收体间存在相对运动时，接收体接收到的回波频率与发射体发射的频率不同，二者之差即多普勒频移，多普勒雷达根据多普勒频移解算雷达相对地面的速度。

多普勒雷达天线通常采用对称分布的四波束配置，具体见图1，可测量载体三轴向速度。雷达测速精度是雷达最主要性能指标，而天线测试测试精度直接影响雷达测速精度。转台的精度、天线测试时安装误差、测试环境的变化，会对天线测试结果和测试一致性产生影响，最终会影响雷达的测速精度。

现行的机载多普勒雷达天线采用远场测试方法进行测试，天线与测试设备相距600m，为开放式测试环境，进行天线测试时，将天线安装到转台上，通过转台调整天线姿态，测试设备测量天线发射电测波，进行天线波束指向角测试，得到天线波束之间的夹角，再通过夹角计算得到速度解算因子，进行速度解算。但是由于雷达天线波束指向角因生产及工艺的原因，存在不对称性，而现有这种远场测试结果不能体现雷达天线波束不对称性的特性，且测试结果精度低、一致性差，导致雷达测速精度无法进一步提升。

随着机载导航技术的发展，对飞行器测速精度提出了越来越高的要求，现有雷达的测速精度已经逐渐不能满足机载组合导航系统的要求，如何进一步提升多普勒雷达的测速精度是目前急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于天线近场测试的多普勒雷达速度解算方法，以提升多普勒雷达的测速精度，满足机载组合导航系统的要求。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

1.一种基于天线近场测试的多普勒雷达速度解算方法，其特征在于，包括如下：

(1)搭建多普勒雷达天线测试系统，获取天线波束指向角数据：

(1a)设计天线测试工装结构件，并通过其将雷达天线基座装入天线近场测试系统，构成多普勒雷达天线测试系统；

(1b)通过多普勒雷达天线测试系统对雷达天线基座进行测试，获取天线4个波束的前向角α_i和侧向角λ_i，其中i＝1,2,3,4；

(2)利用天线波束指向角数据计算雷达速度：

(2a)根据天线的前向角α_i和侧向角λ_i，计算雷达天线波束指向角的垂向角数据θ_i，并根据α_i、λ_i和θ_i数据计算波束的雷达波束的前向余弦参数l_i、侧向余弦参数m_i和垂向余弦参数n_i：

θ_i＝asin(sinλ_i/sin(90-α_i))*180/π，

l_i＝sinα_i*2/γ，

m_i＝sinλ_i*2*/γ，

n_i＝cosα_i*cosθ_i*2/γ，

其中γ为雷达载波波长；

(2b)由雷达4个波束的方向余弦参数l_i、m_i、n_i，组成方向余弦矩阵P:

(2c)根据方向余弦矩阵，计算波束补偿矩阵D；

(2c1)由方向余弦矩阵P得到分布矩阵A：

(2c2)由方向余弦矩阵P计算得到统计矩阵B：

(2c3)根据统计矩阵B和分布矩阵A计算参数矩阵C：

C＝B*A；

(2c4)对参数矩阵C求逆，得到波束补偿矩阵D：

D＝C^-1；

(2d)根据三个不同方向的余弦参数l_i、m_i、n_i、波束补偿矩阵D和雷达测量的4个波束的多普勒频移f₁、f₂、f₃和f₄，解算雷达的三轴向速度Vx、Vy和Vz：

(2d1)由多普勒频移f₁、f₂、f₃和f₄和三个不同方向的余弦参数l_i、m_i、n_i，解算雷达三轴向的初始速度V_x1、V_y1、V_z1：

V_x1＝(f₁+f₂+f₃+f₄)/(l₁+l₂+l₃+l₄)；

V_y1＝(f₁-f₂+f₃-f₄)/(m₁+m₂+m₃+m₄)；

V_z1＝(f₄-f₂+f₃-f₁)/(n₁+n₂+n₃+n₄)；

(2d2)由三轴向的初始速度V_x1、V_y1、V_z1和波束补偿矩阵D,计算雷达三轴向的最终速度Vx、Vy和Vz的最终速度Vx、Vy和Vz：

本发明与现有技术相比，具有如下有点：

第一，本发明由于采用天线近场测试方法，通过平面扫描的方式，能够精确测量雷达4个波束指向角的前向角和侧向角，相对于开放环境下的远场测试，降低了测试设备、测试环境和测试方法所带来的测量误差；

第二，本发明由于设计了的天线测试工装，为天线测试系统提供了校准点，可标校雷达测试坐标系，提高了雷达天线测试准确度和批次一致性；

第三，本发明根据雷达天线波束指向角数据设计测速算法，解算雷达每个波束的方向余弦参数，建立波束补偿矩阵，通过波束补偿矩阵对雷达初始速度进行修正，消除波束指向角不对称性对测速结果的影响，提升了多普勒雷达的测速精度。

附图说明

图1是本发明的实现总流程图；

图2是本发明中设计的天线测试工装图；

图3是本发明中搭建的多普勒雷达天线测试系统；

图4是本发明中多普勒雷达天线四波束指向图；

图5是本发明中雷达速度解算子流程图；

图6是本发明与现有方法前向速度精度对比图；

图7是本发明与现有方法侧向速度精度对比图；

图8是本发明与现有方法垂向速度精度对比图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

参照图1，本实例的实现步骤如下：

步骤1，搭建多普勒雷达天线测试系统。

1.1)设计天线测试工装

参照图2，选取平整度为0.03mm的铝板，按照雷达天线基座安装尺寸开槽，并按照天线基座的安装要求设计测试工装的安装孔，根据统一航向方向能力的需求，设计天线测试工装的两个定位销钉孔N，并根据测试坐标系标校的需求，在天线测试工装的定位销钉孔两端设计两个水平定位基准孔M，使水平定位基准孔中心连线MM与定位销钉孔中心连线NN在一条直线上；在天线测试工装雷达安装槽两端设计两个垂直定位基准孔m,使垂直定位基准孔中心连线mm与定位销钉孔连线NN相交于NN连线中点；

1.2)搭建多普勒雷达天线测试系统

参照图3，将天线测试工装装入天线测试支架，并将雷达天线基座装入天线测试工装，保证雷达天线基座上安装销钉孔对准天线测试工装上N；利用全自动全站仪扫描水平定位基准孔中心连线MM，确定X轴，通过扫描垂直定位基准孔中心连线mm,确定Z轴，最终确定扫描XOZ平面；通过电子经纬仪，将天线平面与扫描平面校准至同一平面，完成多普勒雷达天线测试系统的搭建。

步骤2，进行多普勒雷达天线测试。

2.1)扫描多普勒雷达天线：

通过信号源向雷达天线灌入电磁波，调整扫描支架位置，将天线基座置于距扫描探头20cm位置，以天线的中心点为基准，扫描探头作X向±0.6m，Z向±0.6m的平面扫描；

根据天线4个波束的配置，按照第1波束，第4波束、第2波束、第4波束的顺序进行扫描，通过信号采样，得到天线近场方向图数据；

2.2)解算天线波束指向角数据：

对天线近场方向图数据通过快速傅里叶变换，解算得到天线远场方向图数据，并按照图4的波束指向空间定义，向雷达提供天线4个波束的前向角α_i和侧向角λ_i数据，其中i＝1，2，3，4。

步骤3，进行雷达测速解算

如图5所示，本步骤的具体实现如下：

3.1)进行雷达测速参数解算：

3.1.1)根据天线波束指向角数据α_i和λ_i，按照图4的波束空间配置关系，计算雷达天线波束指向角的垂向角数据θ_i：

θ_i＝asin(sinλ_i/sin(90-α_i))*180/π；

3.1.2)依据多普勒原理和上述参数α_i、λ_i、θ_i计算每个波束的雷达前向余弦参数l_i、侧向余弦参数m_i和垂向余弦参数n_i：

l_i＝sinα_i*2/γ，

m_i＝sinλ_i*2*/γ，

n_i＝cosα_i*cosθ_i*2/γ，

其中γ为雷达载波波长；

3.1.3)根据前向余弦参数l_i、侧向余弦参数m_i和垂向余弦参数n_i组建成方向余弦矩阵P：

3.1.4)按照雷达波束方向定义，根据方向余弦矩阵P，得到分布矩阵A：

A＝P^T.*G，

其中G表示天线波束空间配置系数

3.1.5)对方向余弦矩阵P进行统计，计算雷达每个天线波束的方向参数均值，得到统计矩阵B：

其中，G^T是G的转置；

3.1.6)统计矩阵B和分布矩阵A相乘计算波束不对称性，得到参数矩阵C：

C＝B*A；

3.1.7)对参数矩阵C求逆，得到波束补偿矩阵D：

D＝C^-1；

3.2)进行雷达速度解算，步骤如下：

3.2.1)根据雷达测量的4个波束的多普勒频移f₁、f₂、f₃、f₄和余弦参数l_i、m_i、n_i，按照多普勒测速原理，解算雷达三轴向的初始速度V_x1、V_y1、V_z1：

V_x1＝(f₁+f₂+f₃+f₄)/(l₁+l₂+l₃+l₄)；

V_y1＝(f₁-f₂+f₃-f₄)/(m₁+m₂+m₃+m₄)；

V_z1＝(f₄-f₂+f₃-f₁)/(n₁+n₂+n₃+n₄)；

3.2.2)通过波束补偿矩阵D对三轴向初始速度V_x1、V_y1、V_z1进行修正，计算得到雷达三轴向的最终速度Vx、Vy和Vz，

本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明。

一.仿真实验条件

使用按照雷达工作原理设计的仿真软件。

使用真实的雷达飞行数据作为仿真源进行仿真，数据为雷达采集的4个波束的多普勒频移，数据采集频率为4Hz，采集时长为约3800s，参与仿真的数据量约为250KByte。

二.实验内容

实验1，使用仿真软件对雷达某次飞行试验的真实数据，使用现有方法通过三轴向速度因子进行速度解算和本发明进行仿真，得到雷达三轴向速度对比，如图6、图7和图8。

从图6可见，现有方法得到前向速度略小于前向速度基准，本发明得到的雷达前向速度与前向速度基准基本吻合。

从图7可见，本发明和现有方法得到的雷达侧向速度与侧向速度基准基本吻合，两者差异不明显。

从图8可见，本发明和现有方法得到的雷达垂向速度与垂向速度基准基本吻合，两者差异不明显；。

实验2，以参与试验的差分GPS数据做基准，对两种方法的所得出的数据进行精度统计，结果如表1:

表1仿真精度对比图

	前向速度	侧向速度	垂向速度
				现有方法	-2.0799‰	0.3689m/s	0.123m/s
本发明	0.499‰	0.034m/s	0.011m/s

从表1的统计结果中可以看出，相对于现有方法，本发明得到的雷达前向、侧向和垂向速度精度均有显著的提高。

Claims (3)

1.一种基于天线近场测试的多普勒雷达速度解算方法，其特征在于，包括如下：

(1)搭建多普勒雷达天线测试系统，获取天线波束指向角数据：

(1a)设计天线测试工装结构件，并通过其将雷达天线基座装入天线近场测试系统，构成多普勒雷达天线测试系统；

(1b)通过多普勒雷达天线测试系统对雷达天线基座进行测试，获取天线4个波束的前向角α_i和侧向角λ_i，其中i＝1,2,3,4；

(2)利用天线波束指向角数据计算雷达速度：

(2a)根据天线的前向角α_i和侧向角λ_i，计算雷达天线波束指向角的垂向角数据θ_i，并根据α_i、λ_i和θ_i数据计算波束的雷达波束的前向余弦参数l_i、侧向余弦参数m_i和垂向余弦参数n_i：

θ_i＝arcsin(sinλ_i/sin(90-α_i))*180/π，

l_i＝sinα_i*2/γ，

m_i＝sinλ_i*2*/γ，

n_i＝cosα_i*cosθ_i*2/γ，

其中γ为雷达载波波长；

(2b)由雷达4个波束的方向余弦参数l_i、m_i、n_i，组成方向余弦矩阵P:

(2c)根据方向余弦矩阵，计算波束补偿矩阵D；

(2c1)由方向余弦矩阵P得到分布矩阵A：

(2c2)由方向余弦矩阵P计算得到统计矩阵B：

(2c3)根据统计矩阵B和分布矩阵A计算参数矩阵C：

C＝B*A；

(2c4)对参数矩阵C求逆，得到波束补偿矩阵D：

D＝C^-1；

(2d)根据三个不同方向的余弦参数l_i、m_i、n_i、波束补偿矩阵D和雷达测量的4个波束的多普勒频移f₁、f₂、f₃和f₄，解算雷达的三轴向速度Vx、Vy和Vz：

(2d1)由多普勒频移f₁、f₂、f₃和f₄和三个不同方向的余弦参数l_i、m_i、n_i，解算雷达三轴向的初始速度V_x1、V_y1、V_z1：

V_x1＝(f₁+f₂+f₃+f₄)/(l₁+l₂+l₃+l₄)；

V_y1＝(f₁-f₂+f₃-f₄)/(m₁+m₂+m₃+m₄)；

V_z1＝(f₄-f₂+f₃-f₁)/(n₁+n₂+n₃+n₄)；

(2d2)由三轴向的初始速度V_x1、V_y1、V_z1和波束补偿矩阵D,计算雷达三轴向的最终速度Vx、Vy和Vz：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1a)中设计天线测试工装结构件，实现如下：

(1a1)选取平整度为0.03mm的铝板，按照雷达天线基座安装尺寸开槽，并按照天线基座的安装要求设计测试工装的安装孔，用于将天线基座安装到天线测试系统测试支架上；

(1a2)根据统一航向方向能力的需求，在天线测试工装沿航向方向两端设计的两个定位销钉孔N，雷达天线基座安装到天线测试工装时，通过对准天线基座销钉孔和天线测试工装销钉孔，保证雷达天线基座航向方向与定位销钉孔连线NN的一致；

(1a3)根据测试坐标系标校的需求，在天线测试工装的定位销钉孔两端设计两个水平定位基准孔M，使水平定位基准孔中心连线MM与定位销钉孔连线NN在一条直线上；在天线测试工装雷达安装槽两端设计两个垂直定位基准孔m,使垂直定位基准孔中心连线mm与定位销钉孔连线NN相交于NN连线中点；

(1a4)利用全自动全站仪顺序确定扫描探头扫描区域空间坐标，并通过扫描定水平定位基准孔中心连线MM和垂直定位基准孔中心连线mm,最终标校并确定测试工装的测试平面，通过电子经纬仪标校天线测试工装，将天线平面与扫描平面校准至同一平面保证多普勒雷达天线测试的精度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1b)中通过多普勒雷达天线测试系统对雷达天线基座进行测试，实现如下：

(1b1)通过天线测试系统向雷达天线灌入电磁波，调整扫描支架位置，将天线基座置于距扫描探头20cm位置，以天线的中心点为基准，扫描探头作X向±0.6m，Z向±0.6m的平面扫描，根据天线4个波束的配置，按照第1波束，第4波束、第2波束、第4波束的顺序进行扫描，得到天线近场方向图数据；

(1b2)对天线近场方向图数据进行快速傅里叶变换，得到天线远场方向图数据，用天线波束的前向角α_i和侧向角λ_i进行表示。