[发明专利]机载型自主式测速测高雷达系统及测速测高方法

权利要求书

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(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)。

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)。

6.一种利用权利要求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：f_A、f_B、f_C、f_D；

设四个波束的回波信号基带频率为：f_A、f_B、f_C、f_D；

设四个波束的多普勒频移为：f_dopA、f_dopB、f_dopC、f_dopD；

设四个波束的高度频差为：(Δf)_A、(Δf)_B、(Δf)_C、(Δf)_D；

设四个波束的回波信号幅度为：P_A、P_B、P_C、P_D；

(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：

f_A＝f₀+f_dopA+(Δf)_A   〈1〉

f_B＝f₀+f_dopB+(Δf)_B   〈2〉

f_C＝f₀+f_dopC+(Δf)_C   〈3〉

f_D＝f₀+f_dopD+(Δf)_D   〈4〉

(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：

f_A＝f_dopA+(Δf)_A   〈5〉

f_B＝f_dopB+(Δf)_B   〈6〉

f_C＝f_dopC+(Δf)_C   〈7〉

f_D＝f_dopD+(Δf)_D   〈8〉；

(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：

f_dopA＝-f_dopC   〈9〉

f_dopB＝-f_dopD   〈10〉；

(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：

f_A+f_C＝(Δf)_A+(Δf)_C   〈11〉

当载机水平飞行且地面平坦，有

(Δf)A=(Δf)C=fA+fC2---⟨12⟩]]>

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：

(Δf)A=PCPA+PC·(fA+fC)---⟨13⟩]]>

(Δf)C=PAPA+PC·(fA+fC)---⟨14⟩]]>

(Δf)B=PDPB+PD·(fB+fD)---⟨15⟩]]>

(Δf)D=PBPB+PD·(fB+fD)---⟨16⟩;]]>

(6g)将上式(Δf)_A、(Δf)_B、(Δf)_C、(Δf)_D回带入方程〈5〉、〈6〉、〈7〉、〈8〉中，得到：

f_dopA＝f_A-(Δf)_A   〈17〉

f_dopB＝f_B-(Δf)_B   〈18〉

f_doxC＝f_C-(Δf)_C   〈19〉

f_dopD＝f_D-(Δf)_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：f_dopA、f_dopB、f_dopC、f_dopD，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v_x，横向速度v_y，垂直速度v_z：

vx=λ4cosαsinβ(fdopA-fdopB)vy=λ4cosαsinβ(fdopB-fdopC)vz=-λ4sinα(fdopA+fdopC)---⟨21⟩;]]>

(7b)利用四个波束的高度频差(Δf)_A、(Δf)_B、(Δf)_C、(Δf)_D计算四个波束的延迟时间t_A、t_B、t_C、t_D：

tA=1k(Δf)A---⟨22⟩]]>

tB=1k(Δf)B---⟨23⟩]]>

tC=1k(Δf)C---⟨24⟩]]>

tD=1k(Δf)D---⟨25⟩;]]>

其中，k为已知锯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R_A、R_B、R_C、R_D：

RA=12·c·tA---⟨26⟩]]>

RB=12·c·tB---⟨27⟩]]>

RC=12·c·tC---⟨28⟩]]>

RD=12·c·tD---⟨29⟩;]]>

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H_A、H_B、H_C、H_D:

H_A＝R_A·sinθ   〈30〉

H_B＝R_B·sinθ   〈31〉

H_C＝R_C·sinθ   〈32〉

H_D＝R_D·sinθ   〈33〉；

其中,θ为四个波束的下压角度，

(7e)对上述四个垂直高度H_A、H_B、H_C、H_D求平均，得到飞行器距离地面的实际垂直高度

H~=(HA+HB+HC+HD)/4---⟨34⟩;]]>

(8)将计算得到的飞行器航向速度v_x，横向速度v_y，垂直速度v_z和飞行器距离地面的实际垂直高度H′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。