精密引导雷达精度提升方法研究

李林涛

摘要：针对各型有人无人飞行器全自动精确引导回收难题，提出了如何利用雷达提高测量精度的方法；重点介绍了雷达测量的基本原理，从电磁波在空气中传播特性、单脉冲测角原理、目标运动测角补偿等方面分析了进一步提高雷达测距、测角精度的措施；工程实现和试验测试表明，该方法提高了雷达测量引导精度和抗干扰性。

关键词：精密跟踪测量；二次引导雷达；单脉冲测角；动目标测角补偿

Abstract：Aim at each unmanned aircraft to someone full-automatic the precision lead recall hard nut to crack，Proposed how to make use of the method that the radar exaltation measures accuracy。Particularly introduced the radical principle of radar measurement，Measured corner priniple，object running to measure angular offset etc. to analyze further exaltation radar to measure to be apart from，measure from the electromagnetic wave's up in the air propagation characteristic，monopulse corner the measure of the accuracy。Engineering realize and test testing enunciation，The method raised radar to measure to lead accuracy and antijamming。

Keyword：The nicety follows measurement；Two times lead radar；The monopulse measures corner；Move an object to measure corner offset

1 引言

在無人机广泛应用的今天，如何做到对无人机的高可靠度、高精度测量和自动引导回收是一个必须考虑的问题，也将制约无人机的进一步应用。目前，无人机导航普遍采用卫星导航方式实现自主航路规划和陆基着陆回收，但卫星体制使其定位稳定性差、易受干扰，无法满足军事和特殊任务需求。针对无人飞行器的主动监测和回收引导，本文提出了一种如何利用雷达测量技术提升跟踪定位精度的方法、实现原理和措施，从雷达测量体制、电磁波在大气中的传播速度、和差单脉冲测角及斜率测角补偿等方面分析了具体实现方法，并在某型雷达上进行了工程应用和验证。

2 雷达三维定位测量和引导的基本原理

雷达利用无线电波在均匀介质中的固定传播速度完成距离测量、利用无线电波在均匀介质中传播的直线性和雷达天线的方向性完成角度测量[1]，从而实现对目标的空间距离、方位角、俯仰角定位，并附带实现速度测量，其原理如图1所示。

测距：如图1所示，目标相对于雷达的距离R=（C×tR）/2（公式1），其中C约等于光在自由空间传播速度3.0×108m/s；时间tR为回波信号相对于发射信号之间的延迟，通常采用脉冲法、频率法、相位法等实现测量，可参考“雷达原理”[1]相关书籍深入学习。

测角：依据电波在真空中沿直线传播的特性，目标散射或反射电波波前到达方向，即为目标所在方向，如图2所示。雷达测角的方法一般分为振幅法和相位法，本文讨论一种基于振幅测量法的一种：单脉冲自动测角法。单脉冲自动测角属于同时波瓣测角法，即在一个平面两波束交叠形成等信号轴，将两个同时接收接收的信号进行比较，产生角误差信号，并控制雷达向误差增大方向运动。通常精密跟踪雷达通常选用和差式测角原理，其差信号大小反映目标偏离轴线的大小，相位反映目标偏离方向。

角误差鉴别器的计算公式为：

式中：---角误差电压值，表示目标偏离天线轴线的偏离角度；K--- AGC作用下的和通道中频输出的恒定和信号电平，是一个常数；----差波束方向图函数，表示信号处理得到的相对能量；----和波束方向图函数，表示信号处理得到的相对能量；----目标偏离天线轴线的方向，0°或180°。但实际上由于噪声和各种误差的影响，两者的相位差可能在0?或180?附近跳变，所以采用的判断方法是：

<±90°，为+

>±90°，为-

3 改进和提升雷达测量精度的几种方法

3.1 雷达测量方法的选择

图3、图4展示了一、二次雷达的测量原理，从图中可知，一次雷达因借助目标自身反射进行测量，其易受目标体型（体积）、姿态等影响，造成最强回波电波反射位置在不同条件下在目标体积内变化，导致其测距和测角精度也会越差。复杂目标的雷达截面积计算公式如下：

公式2

这里为第k各散射体截面积、为第k各散射体与接收机之间的距离。

从上可知，一次雷达目标体积越大或姿态变化越剧烈，雷达探测波的反射点将在目标的不同位置跳变，造成测距和测角闪烁[2]。而二次雷达安装有机载应答配合设备，其电波输出点为固定的天线位置处，在整个飞行测量中均可视为点目标，可有效规避一次雷达的测距和测角闪烁问题，确保高精度测量。

综上所述，对无人机等目标的高精度引导测量应首先考虑配有合作机载设备的二次雷达，其不但能提高测量精度，还可提高雷达测量信号的稳定性，保证数据稳定、可靠。

3.2 改进测距精度的几点措施

3.2.1 异频二次雷达对测距精度的提升

如3.1章节所述，二次雷达能避免测距闪烁、提高测距精度，但其处理和实现方式有很多种，现介绍一种最大限度利用二次雷达提高测距精度的方法：异频收发二次雷达测距。

异频收发二次雷达采用发射和接收错频处理方式，由机载设备对雷达发射信号进行变频和直接转发，雷达对机载设备转发信号进行相参处理，从而实现目标识别和信息测量，原理如图4。该方法具有以下优点：①采用直接转发，避免了因机载設备内部处理延时和计时不准确带来的时间抖动误差，影响测距精度；②异频收发，避免了雷达收发同频的一次地海回波和杂波干扰，可提高雷达测量稳定性和精度；③在保证精度同时，异频测量方式可以实现无盲区测量。

3.2.2 光速修正对测距的影响

按照雷达测量原理，目标实测距离=光速×电磁波传播时间。若大气时均匀的，则电磁波在大气中是等速直线传播，此时测距公式1中C可认为是常数；实际上，大气层的不均匀分部导致电磁波受密度、适度、温度等随机变化，因而C是一个随机变量。根据测距公式1的增量替代微分可知，测距误差为：

公式3

公式4

公式3、4中Δc为电波传播速度平均值误差。

从公式4可知，随着距离R增加，由电波速度随机变化引起的测距误差ΔR也增大。为提高雷达测距精度，应充分考虑光速真实速度、大气折射率和经纬度的影响，且上述影响属于外接误差，无法避免，只能根据具体情况进行校准[3]。经查资料，光在空气中的绝对折射率为1.00028，故光（即雷达电磁波）在实际大气应用环境下的V大气=（299792458/1.00028）m/s=299708539.6m/s。电磁波在大气中和真空中速度的差异，将导致雷达测距误差随距离而增大，因此需对电磁波大气传播速度进行修正。

3.3 单脉冲测角跟踪雷达的角精度优化

3.3.1 影响因素

根据雷达单脉冲自动测角法，当雷达天线轴向正对目标时，利用雷达电磁波和差回波特性，会形成和差波束能量差最大，如图5（a）所示。但实际工程应用中，雷达回波受目标体型影响会造成测角闪烁（跳动，3.1条所述），且并非任何时刻天线轴向都能正对目标，如当雷达伺服系统面对快速运动目标时会出现跟踪滞后、雷达角度指向因受步进或分辨力制约造成指向盲区（如图5（b））等，均会影响测角精度准确性。

3.3.2 角精度提升优化措施

如3.1章节所述，二次雷达不但能避免测距闪烁，也能避免因目标体型和姿态变化引起的测角闪烁，提高测角精度，因此二次雷达时提高测角的优选方式之一。同时，对于雷达在天线轴线对正跟踪中存在的角度滞后和自身位置指向偏差，可利用单脉冲斜率补偿和差测角法提高测量精度[4]。

单脉冲和差测角分别利用了和差信号的幅度计算角偏差、相位差判别运动方向，因此幅度特性代表了角度偏差量。该特性在和差波束分离角内（图6（a）的红蓝交叉部分）为线性关系（图6（b）），因此可根据目标偏离天线轴线时的和差波束能量比值进行测角补偿计算，从而提高测角精度。

基于图6所示原理，在角步进（阶跃）或分辨率、跟踪滞后影响角精度时，可借助“差幅度/和幅度”的线性特性与实时测量得到的和差能量比进行补偿计算Δ差角=斜率/和差比（斜率通过预先扫描计算得到）。则当前目标相对雷达的角度为：当前天线轴向角度+Δ差角。上述计算方法适用于目标位于雷达天线和差交叉角宽度范围内，并需最大限度降低信号处理解算周期；当和差信号解算的Δ差角周期越小，实时性越高、角精度也越高。

4 工程应用及结论

根据本文所讨论的措施，项目组在某型雷达上进行了应用，经过仿真及试验验证，其有效提高了雷达的测距和测角精度[5]。下面截取某型三维测量雷达在外场运动平台及试飞时的跟踪测量数据，并将其与实时真值（差分GPS测量值）进行对比分析，详见图7。

如图7所示，雷达实测精度结果如下：

距离误差=随机差0.032m+系统差0.175m=0.207m；

方位角误差=随机差0.017°+系统差0.009°=0.026°；

俯仰角误差=随机差0.007°+系统差0.009°=0.016°。

5 结束语

本文基于雷达空间定位测量原理，分析了二次雷达单脉冲和差测角方法在高精度跟踪引导方面的优势，并从工程实现和应用方面给出了进一步提高雷达测距精度和测角精度的措施。经过某型雷达的试飞测试表明：异频二次雷达方式、电磁波在大气传播速度选择、和差测角斜率补偿算法等措施具有实用价值，能够改善雷达测量精度，对研发精密跟踪引导雷达具有参考价值。

参考文献：

[1]丁鹭飞、耿富录.雷达原理.西安电子科技大学，2004年1月。

[2]张明友.汪学刚. 雷达系统，2006.1。

[3]谢益溪.大气折射对其定位的影响.《电波与天线》，1976第一期，1-43。

[4]胡体玲，李兴国. 双平面振幅和差式单脉冲雷达的性能分析[J].现代雷达，2006，（8）：11-12。

[5]【美】David K.Barton著，罗 群，倪嘉骊，范国平译.雷达系统分析与建模.电子工业出版社，2007.6。