机载型自主式测速测高雷达系统及测速测高方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
机载型自主式测速测高雷达系统及测速测高方法
本专利技术属于无线电
，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。
技术介绍
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。1.多普勒测速雷达测速多普勒测速雷达，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，这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以下关系式：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；λ为发射信号的波长；c为光速。图3是单波束配置多普勒测速雷达的基本几何关系。这个波束以角度γ朝前下方配置，斜向地面辐射电磁波，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：Wcosγ。γ是飞行器速度和波束中心线之间的夹角。对多普勒测速雷达而言，因为发射机和接收机都在飞机上以速度W移动，因此接收到的多普勒频移fd要乘以系数2，即上述公式是多普勒测速雷达测量飞行器速度的基本公式。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。如图2所示，“X”型四波束配置方法是指以一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，这样的系统不仅能够补偿地速测量中俯仰和倾斜误差，而且可以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。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：fdopA、fdopB、fdopC、fdopD；飞行器在机体坐标系下对应的三轴向速度分量分别标记为航向:vx，横向:vy，垂向:vz。结合图2所示几何关系和飞行器速度测量的基本公式可以得到如下频移速度方程：求解式上式可以得到机体坐标系下对应的三轴向速度分量为：实际上，解速度频移方程只需3个波束的多普勒频移即可。而多普勒测速雷达增加为4波束，另有两方面考虑：一是平面阵列天线易于产生4个具有对称性的波束；二是4个多普勒频移参数解三维方程组可以同时得到4组三维速度解，4组速度解可相互进行速度可信度判别，如果差异很小，将4组速度解求平均，可以得到更为精确的三轴向速度。2.无线电高度表雷达测高无线电高度表雷达，是一种基于无线电测距原理测量载机相对地面飞行高度的雷达，这种雷达有两种体制：线性调频连续波体制和脉冲体制。依据无线电测距原理，有如下关系式：2R＝c*t上述公式是雷达测距的基本公式，也是无线电高度表测高的基本原理。其中：R代表雷达与目标的距离；c代表光速；t为回波延迟时间。脉冲体制无线电高度表是通过检测发射脉冲和接收脉冲的延迟，从而计算出飞行器相对地面的高度。该体制高度表的优点是测高范围大，缺点是发射功率大，功耗大，体积大，重量比较重。线性调频连续波体制的无线电高度表，采用一种锯齿波形式的调制信号加在射频压控振荡器上，生成与调制信号变化规律相同的射频信号，无线电高度表连续的对地辐射该射频信号，经地面反射回来的射频回波信号中将会包含有与飞行器高度相对应的频差信息。射频回波信号通过接收天线进入接收机，与耦合过来的发射信号进行混频，输出包含高度信息的频差信号。混频处理后，微波信号的传输延迟时间信息就转换为频差信息。线性调频连续波体制无线电高度表采用一种称为恒定差拍频率体制的技术实现频差信息到微波信号传输延迟时间的转换，即通过连续调整调制信号的斜率维持混频后差拍频率值恒定不变，当锯齿波调制信号的斜率改变时，其周期T也将随之动态变化，这就实现了频差信息到微波信号传输延迟时间的转换。无线电高度表的CPU对这个延迟时间t，t＝T进行测量，并通过雷达测距的基本公式解算出飞行器的飞行高度H，H＝R。线性调频测距原理见图4。上述两种雷达虽然可以实现飞行器飞行速度和飞行高度自主式测量，但需要分别设置不同的雷达传感器实现飞行器飞行速度和飞行高度的测量，使飞行器航电系统结构复杂，挤占飞行器有限的有效载荷，与飞行器装备集约化、综合化、多功能化的发展方向不符。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种多功能机载型自主式测速测高雷达系统及其测速测高方法，以简化飞行器航电系统结构，实现机载电子设备和雷达的综合化、集约化。为实现上述目的，本专利技术的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，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；所述天线，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，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；所述宽带数字中频接收机，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；所述中心计算机，包括：系统控制与数据处理模块，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；调制信号源，用以产生锯齿波调制信号，并输入给发射机；系统时序控制模块，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、超外差接收机、宽带数字中频接收机；数据接口模块，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，用于进行DC/DC电压转换，为雷达发射机、超外差接收机、宽带数字中频接收机和中心计算机提供电源。为实现上述目的，本专利技术进行同时测速测高的方法，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)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)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，依据比较结果设定本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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)，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(2)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)；所述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，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)。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)。5.一种利用权利要求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≤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f0,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：f0_A、f0_B、f0_C、f0_D；设四个波束的回波信号基带频率为：fA、fB、fC、fD；设四个波束...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈晓平，任进良，李百社，李瑞峰，解宝同，陈顺道，
申请(专利权)人：陕西长岭电子科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61