单脉冲雷达距离和速度测量精度技术解析

于德璘

摘  要：文章介绍了单脉冲雷达测距、测速工作原理，分析误差产生原因和影响精度的因素，提出采用卡尔曼滤波算法提高测量数据的精度，对单脉冲雷达的距离和速度测量精度技术分析具有借鉴意义。

关键词：单脉冲雷达距离;速度测量精度技术;测量误差

中图分类号：TN958.4       文献标志码：A       文章编号：2095-2945（2019）25-0151-02

Abstract： In this paper， the working principle of ranging and velocity measurement of monopulse radar is introduced， the causes of errors and the factors affecting the accuracy are analyzed， and the Kalman filter algorithm is proposed to improve the accuracy of measurement data. It can be used as a reference for the technical analysis of range and velocity measurement accuracy of monopulse radar.

Keywords： monopulse radar range; velocity measurement accuracy technology; measurement error

单脉冲雷达属于一种较为精密测量雷达，通过测量运动目标距离测站的距离变化和距离变化率，再结合伺服跟踪系统的测角数据，从而完成对目标运行轨迹测量。单脉冲雷达在进行距离测量时，很容易受内外因素的影响，导致距离测量存在较大的误差，会造成目标飞行任务不必要的损失。因此，为了提升单脉冲雷达距离的准确性，采用合理的速度测量精度技术是非常必要的，下面就对单脉冲雷达距离和速度测量精度技术的相关内容，展开分析和阐述。

1 单脉冲雷达测距和测速分析

单脉冲雷达经天线发射重复一定周期的脉冲信号，脉冲信号遇到测量目标，被目标反射回雷达，根据此时的回波信号接收时间与发射脉冲信号时间之差t，再结合无线电波在空气中的传播速度C，假设目标距离单脉冲雷达距离为R，则：2R=Ct，变换公式即可获得单脉冲测距公式：R=■。

单脉冲雷达在发射一定频率的脉冲信号，遇到目标将脉冲信号反射回测站，测站接收回波信号，并检测回波频率，若目标运动必然存在速度，脉冲信号遇到运动目标，频率必然发生变化，根据多普勒效应，根据脉冲回波信号频率变化即可换算出，目标相对测站的径向速度。

单脉冲雷达每发射一个脉冲信号，天线就能形成若干波速，将各波束回波信号的振幅和相位展开比较。若目标位于天线轴线上，各个波束回波信号的振幅和相位都是处于相等的状态，并且信号差参数应当为“0”[1];若目标不位于天线轴线上，各个波束回波信号的振幅和相位存在一定的偏差，无法呈现相等的状态，会产生一定的信号差，根据信号差，伺服系统会驱动天线转向目标直至天线轴线对准目标，即可测出目标方位角和高低角，利用单脉冲雷达距离原理，测出目标距离测站的径向距离，加上伺服系统测角数据，即可完成目标运行的轨迹测量任务。

2 测量误差产生的原因

单脉冲雷达距离经常会受到一些因素的影响，导致测距测速存在较大的误差，一般情况主要是受到热噪声、发射信号谱线宽度、目标噪声等方面的影响，下面就这几点内容，展开分析和阐述。

2.1 热噪声

热噪声是影响单脉冲雷达距离测量准确性的一项重要因素，是导体中的电子在热激励的作用下，产生不规则运行的状态，进而导致电流瞬间产生起伏的现象[2]。同时，单脉冲雷达回波信号的检测，以及距离参数的测量，其实就是对噪声中目标的检测，以及目标运行距离速度的测量。对于利用脉冲串的积累获取目标多普勒信息的雷达，那么速度测量的时候， 需要根据相关的公式，其公式为：

从单脉冲雷达的角度来说，Be为累积后期的倒数，kf为环路鉴别器误差斜率，并且该斜率一般是与雷达的形式有直接关系。另外，若是取值为1，S/N为雷达接收系统输出信噪比，fr为雷达重复率，βn为雷达接收系统等效宽带。根据该项工程，若是想减小热噪声就会引起多普勒误差，面对这样的情况，需要提高接收系统输出信噪比，减小接收系统等效带宽。

2.2 发射信号谱线宽度

发射信号相位噪声反映了发射信号的短期稳定度，它会引起发射信号谱线展开宽，并且会直接导致高接收系统输出信噪比，减小接收系统等效带宽，从而导致误差的产生。同时，发射信号谱线宽度一般可以通过测量得到相应的结果，若是降低发射信号相位噪声可减小谱线宽度，可在一定程度上降低测速误差的产生。

2.3 目标噪声

由于目标的回波信号是目标各个部分回波信号的叠加，因此雷达系统对回波信号进行测量的时候，回波信号主要可以包含于目标旋转或内部部件运动引起的附加加速度，会导致测量参数受到多普勒作周期性的影响，进而导致误差的产生[3]。同时，目标噪声误差一般是与目标的尺寸、形状、目标相对转动的角速度有着直接的关系。

公式中的ω为目标相对视线的转动角频率，L为目标横向尺寸。另外，在测量的时候，可以通过滤波降低目标噪声，以此可以降低速度测量误差的产生。

3 速度测量精度技術

为保证单脉冲雷达速度的准确性，需要根据距离误差产生的原因，采取有效、合理的距离测量精度技术，来降低测量误差，有效保证单脉冲雷达速度测量的准确性。

3.1 真实速度向量计算

从理论的角度来说，单脉冲雷达一般只有一个距离变化率参量，仅利用一个参量无法得到目标速度的三个分量。因此，在实际单脉冲雷达距离测量的时候，可以采用二阶中心平滑微分方法，得出三个真实速度分量。在得出三个真实速度分量的时候，若是假设2n+1个间距，并且采样位置参数为XTi，并且中心时刻的速度向量 为：

公式中的δ为测量数据的采样间距，N为输入数据的总个数，并且N取值为2n+1。

3.2 卡尔曼滤波

在采用速度测量精度技术的时候，利用卡热曼滤波算法进行展开。虽然随机误差具有一定的随机特性，无法预先知道其准确参数值，降低其误差[4]。但是可以根据单脉冲雷达分布的特性，采取相应的数据处理，在一定程度上降低随机误差值。同时，利用卡尔曼滤波对距离和速度测量值可以进行处理。在处理的时候，可以将k时刻目标的相对距离设为Rk，并且相对速度为vk，相对加速度为αk，那么时间间隔为？驻T，系统状态的方程公式为：

根据这个算法，可以获得状态估计向量，其中主要包括了相对距离和速度估计值，以此降低误差的产生。利用卡尔曼滤波方式的时候，可以有效提升测量精度，其效果是非常明显的。下面两幅图为某次测量结果处理图。

3.3 速度测量误差修正

在单脉冲雷达距离测量的时候，需要根据实际情况，将速度测量值进行误差修正。在速度测量误差修正时，需要注意以下内容。

单脉冲雷达在采样的时候，一般都是以离散数据为主，缺乏一定的连续性和实时性。为降低误差的产生，在速度测量误差修正时，可以通过差分进行计算，在一定程度上保证单脉冲雷达距离测量的准确性。在差分计算的时候，时间差分会起到较大的作用，对其计算结果会造成严重的影响，因此一定要将时间差分作为重点考虑对象，可以对计算结果的准确性进行一定的把控。时间差分的影响不仅是一方面，单脉冲雷达距离折射误差残差也是非常重要的一个方面，也会造成严重的影响[5]。因此，在速度量折射误差修正的时候，亦需考虑，并且计算起来也相对较为简单，可以有效保证单脉冲雷达距离测量的准确性。

4 结束语

综上所述，本文对单脉冲雷达测距测速原理简单介绍，并且针对测量误差产生的原因简要分析，提出了相应速度测量精度技术的相关内容，例如：真实速度向量计算、卡尔曼滤波、速度量误差修正等方面，其目的就是保证单脉冲雷达距离测量的准确性，提升单脉冲雷达的测距测速精度，从而提升单脉冲雷达测轨精度，对其相关行业的发展，也是非常有利的，可以实现良好的经济效益。

参考文献：

[1]贾志飞.单脉冲雷达速度量折射误差高精度修正策略分析[J].科技与创新，2016（10）：109.

[2]李思奇.高分辨单脉冲雷达距离像回波建模仿真[J].太赫兹科学与电子信息学报，2017，14（02）：186-189.

[3]朱泽锋.单脉冲测量雷达标校对测量精度的决定作用[J].中国新技术新产品，2015（24）：85.

[4]张瑜，史莹莹，张洁寒.单脉冲雷达速度量折射误差高精度修正方法[J].电波科学学报，2018，30（03）：530-534.

[5]郭玲红，李亞立.单脉冲雷达距离和速度测量精度技术分析[J].航空兵器，2017（05）：31-33.