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多普勒雷达天线波束指向角测量误差分析

摘要：多普勒导航雷达能自动、连续、精确地测量导弹的速度矢量信息，其测速原理是以多普勒效应为基础，基于测量雷达辐射的电磁波与回波之间的频率差异来得到速度信息。多普勒导航雷达实际中广泛使用三波束或四波束的具有波束指向性的多波束天线，波束指向角与多普勒频移的解算密切相关，进而影响测速精度，因此精确测量多普勒雷达天线的波束指向角极其关键。本文从远场测量和近场测量两种方法来分析天线波束指向角的测量误差，得到近场测量波束指向角精度更高的结论。
关键词：多普勒导航雷达；波束指向角；测量误差
引言多普勒雷达用于导航已有多年历史，为了提高多普勒雷达的测速精度，波束指向角高精度测量一直是多普勒雷达天线研究的重点，其测量方法也同样适用于其他具有斜指向天线波束角系统的波束角高精度测量。
1研究背景
多普勒导航雷达能自动、连续、精确地测量导弹的速度矢量信息，其工作不受地理和气象条件的限制，测速精度在全航程完全相同。同时，多普勒导航雷达具有功耗低、高可靠性、良好的抗干扰性能、很小的长期速度误差等优点，是亚音速对陆攻击型巡航导弹的一种很有效的导航系统。
多普勒雷达测速原理是以多普勒效应为基础，基于测量雷达辐射的电磁波与回波之间的频率差异来得到速度信息。为了同时获得高的地速和偏流角测量精度，雷达天线应当具有双向双波束对称配置的波束，实际中广泛使用的是三波束或四波束具有波束指向性的多波束天线。由于各波束在弹体的轴向、径向都有偏转角度，在天线技术指标中增加了最为关键的波束指向角的测量精度，角度测量精度要求为±0.03°。
2研究的必要性
多普勒导航雷达飞行时天线以三波束配置，波束分布如图1所示。当雷达参数确定以后，多普勒频移fd仅仅与雷达载体相对于地面的运动速度有关，通过三波束天线测量得到雷达载体速度矢量的各个分量（即沿着航向的纵向速度、与航向垂直的横向速度和垂向速度）供导航用。沿每个波束的多普勒频率偏移量fd1、fd2、fd3可按下列公式确定：
fd1=2λ(-Vxcosγ0-Vysinγ0cosδ0-Vzsinγ0sinδ0)
fd2=2λ(Vxcosγ0-Vysinγ0cosδ0-Vzsinγ0sinδ0)
fd3=2λ(Vxcosγ0-Vysinγ0cosδ0+Vzsinγ0sinδ0)
坐标轴各方向上的速度矢量可按下列公式计算：
Vx=λ4∙cosγ0(fd1+fd2)
Vy=λ4sinγ0∙cosδ0(fd1-fd3)
Vz=λ4sinγ0∙sinδ0(fd3-fd1)
其中：
γ0—波束中心线与X轴的夹角
δ0—波束中心线在YOZ平面上的投影与Y轴的夹角
φ0—波束中心线与Z轴的夹角
PL—偏流角
实际测量的多普勒雷达天线波束指向角为δ0和β（如图1所示），β为波束中心线在XOY平面上的投影与Y轴的夹角。正是由于多普勒频移的解算与天线波束指向角密切相关，而测速精度又与多普勒频移测量密切相关，因此精确测量多普勒雷达天线的波束指向角极其关键。

β

图1多普勒导航雷达飞行时天线波束分布图

3研究现状
国外多普勒雷达研究相关技术相对比较成熟，俄、美及欧洲各国利用多普勒雷达导航已有几十年历史。为了提高多普勒雷达的测速精度，各国对天线波束无飞行校准技术、不同地形地貌回波修正技术、天线波束回波质心修正技术，天线波束指向角随温度变化修正技术等都有着深入的研究。其中，天线波束无飞行校准技术是指对天线波束指向角的高精度测量技术，是其他各种修正技术的基础和出发点，因而也成为多普勒雷达天线研究的重点。
天线波束指向角的高精度测量是天线测量技术所涉及的研究领域。天线测量根据测试场地不同可分为自由空间测试场测量和地面反射测试场测量两种。目前，国内外最常用的是自由空间测试场中的高架天线测量和微波暗室测量。其中微波暗室测量包括远场测量和近场扫描法。国内许多高校、研究所和天线公司都配备有高精度的暗室测量系统。有着多年多普勒雷达研制经验的782厂，除暗室测量外，采用将天线安装于高塔之上从1Km外测量波束指向角的方法。本文基于微波暗室讨论波束指向角高精度测量。
4测量方法及误差分析
4.1远场测量法
远场测量法是指在微波暗室中满足远场条件下借助辅助天线根据天线互易定理来测量待测天线电性能参数的方法。天线安装及测量如图2所示。多普勒天线，需要精确测量天线波束在以天线相位中心为原点的坐标轴内的指向角，因此，调整待测天线及工装与转台的安装位置，保证待测天线的相位中心0位于转台方位面转轴01Z的延长线上，并使待测天线的水平面中心线OY与转台平面中心线O1Y1平行；调整发射天线的高度和左右位置，保证发射天线的相位中心位于OX的延长线上，并使发射天线的水平面中心线O2Y2与待测天线中心线OY平行。由此带