机载型自主式测速测高雷达系统及测速测高方法
【专利摘要】本发明公开了一种机载型自主式测速测高雷达系统及测速测高方法，该系统包括：天线、发射机、超外差式接收机、宽带数字中频接收机、中心计算机和电源组件。发射机产生四个锯齿波线性调频射频信号并通过天线实现空间对称配置；超外差式接收机和宽带数字中频接收机共同完成回波信号数字解调并计算出回波信号的频率、幅度、相位和信噪比信息；中心计算机基于四个波束的空间对称性和时序相关性，应用多普勒效应方向性，对同一回波波束速度信息和高度信息进行分离，并利用上述信息解算飞行器飞行速度值和飞行高度值。本发明实现了一部雷达同时自主式测速测高功能，简化了飞行器航电系统结构，且测量精度高，可用于载机飞行参数测量。
【专利说明】机载型自主式测速测高雷达系统及测速测高方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线电【技术领域】，具体涉及一种测速测高雷达系统，可用于对飞行载 机的飞行速度和相对地面飞行高度同时进行自主式测量。
【背景技术】
[0002] 飞行器的飞行速度和相对地面飞行高度分别是飞行器导航及飞行控制的关键参 数。目前，飞行器飞行速度和相对地面飞行高度自主式测量通过机载多普勒测速雷达和机 载无线电高度表雷达分别实现，即飞行器自主式测速与测高是采用两种不同类型的雷达分 别独立实现的。
[0003] 1.多普勒测速雷达测速
[0004] 多普勒测速雷达，是一种基于多普勒效应原理实现飞行器地速或者速度矢量各个 分量测量的雷达。众所周知，当电磁波发射机和接收机之间有相对运动时，接收机收到的电 磁波频率与发射源的发射频率会有差异，该个差异称作多普勒频移，记为fd。fd与接收机和 发射源之间的相对运动速度成正比，依据多普勒效应理论有W下关系式： f vf V
[0005] J d 二心二 ^ C 乂
[0006] 其中；V为接收机和发射源之间的相对运动速度；f为发射信号的频率；A为发射 信号的波长；C为光速。
[0007] 图3是单波束配置多普勒测速雷达的基本几何关系。该个波束W角度Y朝前下 方配置，斜向地面福射电磁波，一部分射频能量被反向散射回来，设飞行器的飞行速度为W， 则飞行器在波束方向的速度分量是；W cosy。Y是飞行器速度和波束中也线之间的夹角。
[0008] 对多普勒测速雷达而言，因为发射机和接收机都在飞机上W速度W移动，因此接 收到的多普勒频移fd要乘W系数2,即 f f W
[0009] Wcosy* 2 = 2 -cosy C 乂
[0010] 上述公式是多普勒测速雷达测量飞行器速度的基本公式。
[0011] 在实际应用中单波束配置的多普勒测速雷达很难满足地速测量的精度要求，为了 实现对地速和垂向速度分量的精确测量，现在广泛应用的是"X"型四波束配置多普勒测速 雷达。
[0012] 如图2所示，"X"型四波束配置方法是指W-定的下压角度和倾斜角度，对应左 前、右前、右后、左后空间对称地发射4个波束，该样的系统不仅能够补偿地速测量中俯仰 和倾斜误差，而且可W测量飞行器的垂向速度和横向速度，从而给出飞行器的空间速度矢 量。
[0013] 如图2所示，设左前、右前、右后、左后对应的四个波束标记为；A、B、C、D ;四个波束 对应产生的多普勒频移分别标记为：片。PA、fdDpB、fdDpe、fdwD ;飞行器在机体坐标系下对应的H 轴向速度分量分别标记为航向：V,，横向：Vy,垂向：V,。结合图2所示几何关系和飞行器速 度测量的基本公式可W得到如下频移速度方程：
【权利要求】
1. 一种机载型自主式测速测高雷达系统，包括：发射机、天线、超外差接收机、宽带数 字中频接收机、中心计算机、电源组件，其特征在于： 所述发射机（1)，用于产生四路同步的经锯齿波线性频率调制的射频信号，这四路同 步的射频信号通过四路射频馈线输入到天线（2); 所述天线（2)，包括天线面阵和移相器，天线面阵用以向空间辐射射频信号，移相器用 以实现左前、右前、右后、左后四个射频波束空间配置； 所述超外差接收机（3)，用于实现四路同步的射频回波信号从射频到中频的变换处理， 生成四路同步的中频回波信号，输入给宽带数字中频接收机（4); 所述宽带数字中频接收机（4)，用于实现中频信号放大调理、A/D变换、DDC变换和数字 信号处理计算，得出四路回波信号的频率、幅度、相位和信噪比信息，这四路回波信号的频 率、幅度、相位和信噪比信息输入给中心计算机（5); 所述中心计算机（5)，包括： 系统控制与数据处理模块（51)，用于实现雷达工作模式控制、速度高度数据解算、数据 组帧和数据接口管理，并将数据计算结果输入到数据接口模块（54); 调制信号源（52)，用以产生锯齿波调制信号，并输入给发射机（1); 系统时序控制模块（53)，用以产生雷达工作时序信号和时钟信号，分别输入给发射机 (1)、超外差接收机（3)、宽带数字中频接收机（4); 数据接口模块（54)，用于实现数据格式转换，并将格式转换后的数据输出到外部的上 位机。 电源组件（6)，用于进行DC/DC电压转换，为雷达发射机（1)、超外差接收机（3)、宽带数 字中频接收机（4)和中心计算机（5)提供电源。
2. 根据权利要求1所述的机载型自主式测速测高雷达系统，其特征在于发射机（1)， 包括压控振荡器、功分器、功率放大电路；压控振荡器受中心计算机（5)输出的锯齿波信号 调制，产生经锯齿波线性频率调制的射频信号，该射频信号通过功分器分为四路同步的锯 齿波线性频率调制的射频信号，并经功率放大器功率放大后输入到天线（2)辐射出去。
3. 根据权利要求1所述的机载型自主式测速测高雷达系统，其特征在于超外差接收机 (3)，包括本振电路、四个前置功率放大器和四个混频器，四个前置功率放大器接收并放大 天线⑵接收到的射频回波信号，分别同时输出到四个混频器，与本振电路输出到四个混 频器的本振信号进行混频，产生四路同步的中频回波信号输入给宽带数字中频接收机（4)。
4. 根据权利要求1所述的机载型自主式测速测高雷达系统，其特征在于宽带数字中 频接收机（4)，采用四通道数字中频接收机，该四路接收通道的电路特性参数完全一致，每 一路接收通道包括中频信号放大调理单元、A/D变换单元、DDC变换单元和数字信号处理单 元，中频信号放大调理单元接收超外差接收机（3)输出的中频回波信号，调理放大后输入 给A/D变换单元实现模数转换，转换后的数字中频信号输入DDC变换单元实现数字下变频， 生成数字基带信号并送入数字信号处理单元进行计算，数字信号处理单元计算出四个回波 信号的频率、幅度、相位和信噪比信息输出给系统控制与数据处理模块（51)。
5. 根据权利要求1所述的机载型自主式测速测高雷达系统，其特征在于系统控制与数 据处理模块（51)，包括： 系统控制子模块（511)，用于对宽带数字中频接收机计算得出的信号信噪比S/N与预 设的门限进行比较，依据比较结果设定雷达跟踪/搜索状态；同时接收外部上位机命令设 置雷达工作模式； 数据处理子模块（512)，用于从宽带数字中频接收机计算得出的回波信号的频率、幅度 数据中分离出对应于速度信息的多普勒频移信息和对应于高度信息的线性调频频差信息， 并将分离后的多普勒频移信息和高度频差信息分别带入频移速度方程组和频差高度方程 组，解算出对应的速度值和高度值，并输出到数据接口模块（54)。
6. -种利用权利要求1系统进行测速测高的方法，包括如下步骤： (1) 通过调制信号源产生一个周期性的锯齿波信号输入到发射机压控振荡器； (2) 发射机压控振荡器产生一个受周期性的锯齿波信号线性调频的射频信号，该射频 信号通过功分器分为四路同步的锯齿波线性频率调制射频信号，并经功率放大器功率放大 后输入到天线辐射出去； (3) 超外差接收机的四个前置功率放大器接收并放大天线接收到的射频回波信号，分 别输出到超外差接收机的四个混频器，与超外差接收机本振电路输出到四个混频器的本振 信号进行混频，产生四路同步的中频回波信号输入给宽带数字中频接收机； (4) 宽带数字中频接收机对四路中频回波信号依次进行放大调理、A/D变换、DDC变换 和数字信号处理计算，计算出四路回波信号的频率、幅度、相位和信噪比信息，并将这四路 中频回波信号的频率、幅度、相位和信噪比信息输入给中心计算机（5); (5) 中心计算机获得四个回波信号的频率、幅度、相位和信噪比信息后，将信号信噪比 S/N与预设的门限G进行比较，依据比较结果设定雷达跟踪/搜索状态：当S/N彡G，设置雷 达为进入搜索状态，放弃此次回波数据，等待下次回波数据；当S/N>G，设置雷达为进入跟 踪状态，启动数据处理子模块进行数据处理，其中信噪比预设门限G根据雷达回波信号接 收通道噪声特性设定； (6) 数据处理子模块进行多普勒频移信息和线性调频频差信息分离： (6a)设雷达射频载波中心频率为&，并将天线左前、右前、右后、左后的四个波束分别 标记为A、B、C、D; (6b)设置四个波束的对应参数： 设四个波束的回波信号射频频率为：fA、fB、f。、fD ; 设四个波束的回波信号基带频率为：fA、fB、f。、fD ; 设四个波束的多普勒频移为：fd()pA、fd()pB、fd_、fd()pD ; 设四个波束的高度频差为：（Af)A、（Af)B、（Af)c、（Af)11 ; 设四个波束的回波信号幅度为：?^?^?。、？!^ (6c)根据多普勒效应原理和线性调频技术原理，将四个波束的回波信号射频频率表示 为：
(6d)对四个波束射频回波信号均依次进行混频、滤波处理、A/D变换、DDC变换和数字 信号处理，得到四个波束回波信号的基带频率为： fA =fdopA+(Af)A 〈5〉 fB =fdopB+(Af)B 〈6〉 fC =fdopC+(Af)C 〈7〉 fD =fd_+(Af)D ⑶； (6e)基于测速测高雷达四个波束的空间对称性和时域相关性，应用多普勒效应的方向 性，得到在飞行器飞行时四个波束的多普勒频移关系式： fdopAfdopC 〈 9〉 fdopB=-fdopD<1〇)； (6f)根据式〈9〉和式〈10〉，将方程〈5〉与方程〈7〉相加，得到A、C波束的高度频差频 率之和： A+fC=(Af)A+(Af)C〈11〉 当载机水平飞行且地面平坦，有
当载机飞行区域地面环境不是平坦的，利用相应回波信号的实时幅度数据对高度频差 频率之和进行加权分解，得到四个波束的高度频差：
(6g)将上式（Af)A、（Af)B、（Af)c、（Af)11 回带入方程〈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，完成多普勒频移信息和高度频差信息的分离； (7)利用分离后的多普勒频移信息和频差信息，计算飞行器的飞行速度值和飞行高度 值： (7a)利用计算出的4个多普勒频移：fd()pA、f_B、f_。、fd_，解算频移速度方程组〈21〉， 求得飞行器飞行速度在机体坐标系下的三轴向速度分量，即航向速度vx，横向速度vy，垂直 速度Vz :
(7b)利用四个波束的高度频差（Af)A、（Af)B、（Af)c、（八仏计算四个波束的延迟时 [δ] ?^Λ ?βΛ ?(^Λ ?ρ：
其中，k为已知锅齿波调制信号的斜率； (7c)利用四个波束的延迟时间，计算雷达与四个射频波束反射点之间的距离Ra、Rb、Rc、Rd :
其中，c为光速； (7d)依据雷达波束空间几何关系，计算飞行器距离地面的四个垂直高度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为四个波束的下压角度， (7e)对上述四个垂直高度HA、HB、H。、Hd求平均，得到飞行器距离地面的实际垂直高度 H： H -(Hv+Hl( fH( +Hd)/4 〈34〉； (8)将计算得到的飞行器航向速度vx，横向速度vy，垂直速度vz和飞行器距离地面的实 际垂直高度W数据组帧，通过数据接口模块完成数据格式转换，并发送给外部任务系统。
【文档编号】G01S13/50GK104237877SQ201410483788
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】屈晓平, 任进良, 李百社, 李瑞峰, 解宝同, 陈顺道 申请人:陕西长岭电子科技有限责任公司