機載型自主式測速測高雷達系統(tǒng)及測速測高方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種機載型自主式測速測高雷達系統(tǒng)及測速測高方法，該系統(tǒng)包括：天線、發(fā)射機、超外差式接收機、寬帶數(shù)字中頻接收機、中心計算機和電源組件。發(fā)射機產(chǎn)生四個鋸齒波線性調(diào)頻射頻信號并通過天線實現(xiàn)空間對稱配置；超外差式接收機和寬帶數(shù)字中頻接收機共同完成回波信號數(shù)字解調(diào)并計算出回波信號的頻率、幅度、相位和信噪比信息；中心計算機基于四個波束的空間對稱性和時序相關(guān)性，應(yīng)用多普勒效應(yīng)方向性，對同一回波波束速度信息和高度信息進行分離，并利用上述信息解算飛行器飛行速度值和飛行高度值。本發(fā)明實現(xiàn)了一部雷達同時自主式測速測高功能，簡化了飛行器航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，且測量精度高，可用于載機飛行參數(shù)測量。
【專利說明】機載型自主式測速測高雷達系統(tǒng)及測速測高方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線電【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種測速測高雷達系統(tǒng)，可用于對飛行載 機的飛行速度和相對地面飛行高度同時進行自主式測量。

【背景技術(shù)】
[0002] 飛行器的飛行速度和相對地面飛行高度分別是飛行器導航及飛行控制的關(guān)鍵參 數(shù)。目前，飛行器飛行速度和相對地面飛行高度自主式測量通過機載多普勒測速雷達和機 載無線電高度表雷達分別實現(xiàn)，即飛行器自主式測速與測高是采用兩種不同類型的雷達分 別獨立實現(xiàn)的。
[0003] 1.多普勒測速雷達測速
[0004] 多普勒測速雷達，是一種基于多普勒效應(yīng)原理實現(xiàn)飛行器地速或者速度矢量各個 分量測量的雷達。眾所周知，當電磁波發(fā)射機和接收機之間有相對運動時，接收機收到的電 磁波頻率與發(fā)射源的發(fā)射頻率會有差異，該個差異稱作多普勒頻移，記為fd。fd與接收機和 發(fā)射源之間的相對運動速度成正比，依據(jù)多普勒效應(yīng)理論有W下關(guān)系式： f vf V
[0005] J d 二心二 ^ C 乂
[0006] 其中；V為接收機和發(fā)射源之間的相對運動速度；f為發(fā)射信號的頻率；A為發(fā)射 信號的波長；C為光速。
[0007] 圖3是單波束配置多普勒測速雷達的基本幾何關(guān)系。該個波束W角度Y朝前下 方配置，斜向地面福射電磁波，一部分射頻能量被反向散射回來，設(shè)飛行器的飛行速度為W， 則飛行器在波束方向的速度分量是；W cosy。Y是飛行器速度和波束中也線之間的夾角。
[0008] 對多普勒測速雷達而言，因為發(fā)射機和接收機都在飛機上W速度W移動，因此接 收到的多普勒頻移fd要乘W系數(shù)2,即 f f W
[0009] Wcosy* 2 = 2 -cosy C 乂
[0010] 上述公式是多普勒測速雷達測量飛行器速度的基本公式。
[0011] 在實際應(yīng)用中單波束配置的多普勒測速雷達很難滿足地速測量的精度要求，為了 實現(xiàn)對地速和垂向速度分量的精確測量，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的是"X"型四波束配置多普勒測速 雷達。
[0012] 如圖2所示，"X"型四波束配置方法是指W-定的下壓角度和傾斜角度，對應(yīng)左 前、右前、右后、左后空間對稱地發(fā)射4個波束，該樣的系統(tǒng)不僅能夠補償?shù)厮贉y量中俯仰 和傾斜誤差，而且可W測量飛行器的垂向速度和橫向速度，從而給出飛行器的空間速度矢 量。
[0013] 如圖2所示，設(shè)左前、右前、右后、左后對應(yīng)的四個波束標記為；A、B、C、D ;四個波束 對應(yīng)產(chǎn)生的多普勒頻移分別標記為：片。PA、fdDpB、fdDpe、fdwD ;飛行器在機體坐標系下對應(yīng)的H 軸向速度分量分別標記為航向：V,，橫向：Vy,垂向：V,。結(jié)合圖2所示幾何關(guān)系和飛行器速 度測量的基本公式可W得到如下頻移速度方程：

【權(quán)利要求】
1. 一種機載型自主式測速測高雷達系統(tǒng)，包括：發(fā)射機、天線、超外差接收機、寬帶數(shù) 字中頻接收機、中心計算機、電源組件，其特征在于： 所述發(fā)射機（1)，用于產(chǎn)生四路同步的經(jīng)鋸齒波線性頻率調(diào)制的射頻信號，這四路同 步的射頻信號通過四路射頻饋線輸入到天線（2); 所述天線（2)，包括天線面陣和移相器，天線面陣用以向空間輻射射頻信號，移相器用 以實現(xiàn)左前、右前、右后、左后四個射頻波束空間配置； 所述超外差接收機（3)，用于實現(xiàn)四路同步的射頻回波信號從射頻到中頻的變換處理， 生成四路同步的中頻回波信號，輸入給寬帶數(shù)字中頻接收機（4); 所述寬帶數(shù)字中頻接收機（4)，用于實現(xiàn)中頻信號放大調(diào)理、A/D變換、DDC變換和數(shù)字 信號處理計算，得出四路回波信號的頻率、幅度、相位和信噪比信息，這四路回波信號的頻 率、幅度、相位和信噪比信息輸入給中心計算機（5); 所述中心計算機（5)，包括： 系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊（51)，用于實現(xiàn)雷達工作模式控制、速度高度數(shù)據(jù)解算、數(shù)據(jù) 組幀和數(shù)據(jù)接口管理，并將數(shù)據(jù)計算結(jié)果輸入到數(shù)據(jù)接口模塊（54); 調(diào)制信號源（52)，用以產(chǎn)生鋸齒波調(diào)制信號，并輸入給發(fā)射機（1); 系統(tǒng)時序控制模塊（53)，用以產(chǎn)生雷達工作時序信號和時鐘信號，分別輸入給發(fā)射機 (1)、超外差接收機（3)、寬帶數(shù)字中頻接收機（4); 數(shù)據(jù)接口模塊（54)，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，并將格式轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出到外部的上 位機。 電源組件（6)，用于進行DC/DC電壓轉(zhuǎn)換，為雷達發(fā)射機（1)、超外差接收機（3)、寬帶數(shù) 字中頻接收機（4)和中心計算機（5)提供電源。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機載型自主式測速測高雷達系統(tǒng)，其特征在于發(fā)射機（1)， 包括壓控振蕩器、功分器、功率放大電路；壓控振蕩器受中心計算機（5)輸出的鋸齒波信號 調(diào)制，產(chǎn)生經(jīng)鋸齒波線性頻率調(diào)制的射頻信號，該射頻信號通過功分器分為四路同步的鋸 齒波線性頻率調(diào)制的射頻信號，并經(jīng)功率放大器功率放大后輸入到天線（2)輻射出去。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機載型自主式測速測高雷達系統(tǒng)，其特征在于超外差接收機 (3)，包括本振電路、四個前置功率放大器和四個混頻器，四個前置功率放大器接收并放大 天線⑵接收到的射頻回波信號，分別同時輸出到四個混頻器，與本振電路輸出到四個混 頻器的本振信號進行混頻，產(chǎn)生四路同步的中頻回波信號輸入給寬帶數(shù)字中頻接收機（4)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機載型自主式測速測高雷達系統(tǒng)，其特征在于寬帶數(shù)字中 頻接收機（4)，采用四通道數(shù)字中頻接收機，該四路接收通道的電路特性參數(shù)完全一致，每 一路接收通道包括中頻信號放大調(diào)理單元、A/D變換單元、DDC變換單元和數(shù)字信號處理單 元，中頻信號放大調(diào)理單元接收超外差接收機（3)輸出的中頻回波信號，調(diào)理放大后輸入 給A/D變換單元實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字中頻信號輸入DDC變換單元實現(xiàn)數(shù)字下變頻， 生成數(shù)字基帶信號并送入數(shù)字信號處理單元進行計算，數(shù)字信號處理單元計算出四個回波 信號的頻率、幅度、相位和信噪比信息輸出給系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊（51)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機載型自主式測速測高雷達系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)控制與數(shù) 據(jù)處理模塊（51)，包括： 系統(tǒng)控制子模塊（511)，用于對寬帶數(shù)字中頻接收機計算得出的信號信噪比S/N與預(yù) 設(shè)的門限進行比較，依據(jù)比較結(jié)果設(shè)定雷達跟蹤/搜索狀態(tài)；同時接收外部上位機命令設(shè) 置雷達工作模式； 數(shù)據(jù)處理子模塊（512)，用于從寬帶數(shù)字中頻接收機計算得出的回波信號的頻率、幅度 數(shù)據(jù)中分離出對應(yīng)于速度信息的多普勒頻移信息和對應(yīng)于高度信息的線性調(diào)頻頻差信息， 并將分離后的多普勒頻移信息和高度頻差信息分別帶入頻移速度方程組和頻差高度方程 組，解算出對應(yīng)的速度值和高度值，并輸出到數(shù)據(jù)接口模塊（54)。
6. -種利用權(quán)利要求1系統(tǒng)進行測速測高的方法，包括如下步驟： (1) 通過調(diào)制信號源產(chǎn)生一個周期性的鋸齒波信號輸入到發(fā)射機壓控振蕩器； (2) 發(fā)射機壓控振蕩器產(chǎn)生一個受周期性的鋸齒波信號線性調(diào)頻的射頻信號，該射頻 信號通過功分器分為四路同步的鋸齒波線性頻率調(diào)制射頻信號，并經(jīng)功率放大器功率放大 后輸入到天線輻射出去； (3) 超外差接收機的四個前置功率放大器接收并放大天線接收到的射頻回波信號，分 別輸出到超外差接收機的四個混頻器，與超外差接收機本振電路輸出到四個混頻器的本振 信號進行混頻，產(chǎn)生四路同步的中頻回波信號輸入給寬帶數(shù)字中頻接收機； (4) 寬帶數(shù)字中頻接收機對四路中頻回波信號依次進行放大調(diào)理、A/D變換、DDC變換 和數(shù)字信號處理計算，計算出四路回波信號的頻率、幅度、相位和信噪比信息，并將這四路 中頻回波信號的頻率、幅度、相位和信噪比信息輸入給中心計算機（5); (5) 中心計算機獲得四個回波信號的頻率、幅度、相位和信噪比信息后，將信號信噪比 S/N與預(yù)設(shè)的門限G進行比較，依據(jù)比較結(jié)果設(shè)定雷達跟蹤/搜索狀態(tài)：當S/N彡G，設(shè)置雷 達為進入搜索狀態(tài)，放棄此次回波數(shù)據(jù)，等待下次回波數(shù)據(jù)；當S/N>G，設(shè)置雷達為進入跟 蹤狀態(tài)，啟動數(shù)據(jù)處理子模塊進行數(shù)據(jù)處理，其中信噪比預(yù)設(shè)門限G根據(jù)雷達回波信號接 收通道噪聲特性設(shè)定； (6) 數(shù)據(jù)處理子模塊進行多普勒頻移信息和線性調(diào)頻頻差信息分離： (6a)設(shè)雷達射頻載波中心頻率為&，并將天線左前、右前、右后、左后的四個波束分別 標記為A、B、C、D; (6b)設(shè)置四個波束的對應(yīng)參數(shù)： 設(shè)四個波束的回波信號射頻頻率為：fA、fB、f。、fD ; 設(shè)四個波束的回波信號基帶頻率為：fA、fB、f。、fD ; 設(shè)四個波束的多普勒頻移為：fd()pA、fd()pB、fd_、fd()pD ; 設(shè)四個波束的高度頻差為：（Af)A、（Af)B、（Af)c、（Af)11 ; 設(shè)四個波束的回波信號幅度為：?^?^?。、？!^ (6c)根據(jù)多普勒效應(yīng)原理和線性調(diào)頻技術(shù)原理，將四個波束的回波信號射頻頻率表示 為：
(6d)對四個波束射頻回波信號均依次進行混頻、濾波處理、A/D變換、DDC變換和數(shù)字 信號處理，得到四個波束回波信號的基帶頻率為： fA =fdopA+(Af)A 〈5〉 fB =fdopB+(Af)B 〈6〉 fC =fdopC+(Af)C 〈7〉 fD =fd_+(Af)D ⑶； (6e)基于測速測高雷達四個波束的空間對稱性和時域相關(guān)性，應(yīng)用多普勒效應(yīng)的方向 性，得到在飛行器飛行時四個波束的多普勒頻移關(guān)系式： fdopAfdopC 〈 9〉 fdopB=-fdopD<1〇)； (6f)根據(jù)式〈9〉和式〈10〉，將方程〈5〉與方程〈7〉相加，得到A、C波束的高度頻差頻 率之和： A+fC=(Af)A+(Af)C〈11〉 當載機水平飛行且地面平坦，有
當載機飛行區(qū)域地面環(huán)境不是平坦的，利用相應(yīng)回波信號的實時幅度數(shù)據(jù)對高度頻差 頻率之和進行加權(quán)分解，得到四個波束的高度頻差：
(6g)將上式（Af)A、（Af)B、（Af)c、（Af)11 回帶入方程〈5〉、〈6〉、〈7〉、〈8〉中，得到：fdopA= ?Α-(Δ?)Α 〈17〉 fdopB= 〈18〉 fdoxC= fC-(Af)C 〈19〉 fd〇pD = fD-(Af)D (20)； 至此，完成多普勒頻移信息和高度頻差信息的分離； (7)利用分離后的多普勒頻移信息和頻差信息，計算飛行器的飛行速度值和飛行高度 值： (7a)利用計算出的4個多普勒頻移：fd()pA、f_B、f_。、fd_，解算頻移速度方程組〈21〉， 求得飛行器飛行速度在機體坐標系下的三軸向速度分量，即航向速度vx，橫向速度vy，垂直 速度Vz :
(7b)利用四個波束的高度頻差（Af)A、（Af)B、（Af)c、（八仏計算四個波束的延遲時 [δ] ?^Λ ?βΛ ?(^Λ ?ρ：
其中，k為已知鍋齒波調(diào)制信號的斜率； (7c)利用四個波束的延遲時間，計算雷達與四個射頻波束反射點之間的距離Ra、Rb、Rc、Rd :
其中，c為光速； (7d)依據(jù)雷達波束空間幾何關(guān)系，計算飛行器距離地面的四個垂直高度Ha、Hb、Hc、Hd:Ha =Ra · sinθ 〈30〉 Hb = Rb · sin θ 〈31〉 Hc = Rc · sin θ 〈32〉 Hd = Rd · sin θ 〈33〉； 其中，Θ為四個波束的下壓角度， (7e)對上述四個垂直高度HA、HB、H。、Hd求平均，得到飛行器距離地面的實際垂直高度 H： H -(Hv+Hl( fH( +Hd)/4 〈34〉； (8)將計算得到的飛行器航向速度vx，橫向速度vy，垂直速度vz和飛行器距離地面的實 際垂直高度W數(shù)據(jù)組幀，通過數(shù)據(jù)接口模塊完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，并發(fā)送給外部任務(wù)系統(tǒng)。
【文檔編號】G01S13/50GK104237877SQ201410483788
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】屈曉平, 任進良, 李百社, 李瑞峰, 解寶同, 陳順道 申請人:陜西長嶺電子科技有限責任公司