三坐标雷达测高误差综合修正系统设计与应用

熊梓成 朱新国 李友梅 张亚洲

（中国电子科技集团公司第十四研究所 江苏省南京市 210039）

三坐标雷达在常规方位、距离测量基础上，通过俯仰波束扫描实现目标的仰角测量，进而获得目标高度，测高精度是三坐标情报雷达的重要战术指标，但相对于距离和方位而言，高度测量精度对于雷达系统的稳定度要求更加苛刻，对阵地周边自然环境和电磁环境变化更加敏感，如雷达转动导致的天线平台水平度变化、接收通道增益不一致、阵地杂波环境变化、大气折射效应变化等原因均会对雷达测高精度产生影响，引起测高误差。

在实际使用过程中，三坐标雷达往往因为器件故障、外部环境、人为因素等原因造成测高误差过大，高度突跳严重等问题，影响雷达情报质量[1]。因此，在三坐标雷达设计之初就应该充分考虑测高误差综合修正系统的设计，在实际应用中能够实时进行测高修正，以达到改善三坐标雷达测高误差的目的。

1 三坐标雷达测高误差分析

1.1 影响测高误差因素分析

对于三坐标雷达而言，通常都会选用比幅/比相方式进行测角，目标高度通常由测量角度间接计算得到，计算公式如下：

式中，Ht为测高结果，Rt为目标距离，θe为目标仰角，Ha为雷达天线高度，R0为地球半径，k为修正系数。通过上式对比中可以得出，相对于高度测量而言，雷达测距误差较小，对高度误差的影响也更小，测高误差主要来源于雷达测角误差以及大气折算修正系数的选取误差等。

雷达测角误差主要包括热噪声误差，通道幅度/相位不一致误差，角度量化误差，扫描误差，目标闪烁误差，多路径误差，天线平台水平度误差等。

经过分析比对，热噪声误差，角度量化误差，扫描误差，目标闪烁误差由雷达系统固有设计决定，体现在测高随机误差中，测高误差修正系统对这些误差项改善有限且意义不大[2]。

通道幅度/相位不一致误差和通道之间的幅度相位一致性有关，在器件性能正常时，该项误差往往影响较小，但当系统因为器件失效等原因导致幅度相位信息异常后，则会大幅抬升该项误差值，因此在测高误差修正系统中需要重点对该项信息进行监测及校正。

天线平台水平度误差会直接影响雷达的波束指向及俯仰测角，从而对高度误差造成影响，在测高误差修正系统中需要考虑对水平度的实时监测及通过监测数据对其引起的测高误差进行针对性校正。

多路径误差以及上文中提到的大气折算修正系数的选取误差往往和外界环境相关，产生机理复杂，并且该项误差在整个测高误差中占比较大，在测高误差修正系统中需要对该项误差的修正进行探索。

1.2 天线水平度影响

雷达天线平台形变、天线基础下沉、天线架设不到位以及天线平台在转动过程中的水平度变化等因素均会导致阵面倾角的变化。当阵面倾角发生变化时，雷达实际扫描线与理论扫描线将会存在一定偏差，并且在不同转动方向上的这种偏差也是不同的，如果仍然按照理论设计的阵面倾角来计算探测目标的仰角或高度，则雷达在不同方向的目标测量高度将会存在不同程度的误差[3]。

1.3 接收通道增益一致性影响

三坐标情报雷达通常采用多波束比幅/比相的方法来进行仰角测量，而进行多波束比幅/比相测高的前提是各个接收波束的幅度/相位基本一致。当某一路接收通道增益过大时，其对应的接收波束覆盖空域将会变大，出现波束下沿处目标探测高度偏高、而在波束上沿处目标探测高度偏低的现象，对测高精度带来不良影响[4]，反之亦然。因此需要对通道内的幅度相位进行实时监测，并通过寻求一种方式对其进行修正补偿。

1.4 外部环境因素等影响

由于受折射作用影响，电磁波在大气层中不是直线传播的，而是会发生一定程度的弯曲。通常在进行雷达高度计算时默认大气层是均匀的，并以4/3 倍地球半径代替地球的等效半径，将电磁波等效为沿直线传播，从而对大气折射效应进行简单修正。然而实际上，大气折射是一个渐进变化的过程，其折射系数随着高度的增加而发生变化，采用等效地球半径的修正方式并不能充分消除大气折射所带来的测高误差。同时，受到多径效应/环境杂波的影响，在某些方位及距离上，测量高度误差会出现较大起伏[5]。

受到这些外部环境因素影响，往往在雷达测高性能上出现一定规律的变化，抓住这些变化规律则能在一定程度上修正测高误差。

2 测高误差综合修正系统设计

根据上节分析情况，测高误差综合修正系统针对不同影响因素，制定针对性的传感器监测及修正流程，以达到较好的测高误差修正效果。针对天线水平度影响，建立天线水平度实时补偿架构，通过动态水平仪设备实时获取天线转动时水平度，并通过数据处理及雷达控制系统进行实时补偿；针对通道一致性影响，建立通道一致性监测与校正架构，通过雷达监测系统对雷达通道一致性进行监测，并自动进行修正；针对外部环境因素带来的测高误差，建立基于ADS-B 或者二次雷达的测高误差修正架构，通过ADS-B 的真值数据与雷达实际测量值进行比对，积累差异值并通过补偿系统进行实时补偿。如图1所示。

图1：综合修正系统组成

2.1 动态水平仪实时修正

在天线转动时，由于雷达天线重心变化，雷达转动平台会发生一定形变，且这种形变随着转动角度、转动速度不同而不同，且对于机动雷达而言，每次机动阵地的更换和不同的天线调平操作，都会使得形变带来不确定性，这种形变会带来天线阵面指向发生一定偏移，从而导致雷达测高误差。如图2所示。

图2：转台水平误差示意图

现代雷达装备为了降低天线转台的形变对雷达测高的影响，通过在天线转台上配置动态水平仪以实时监测天线转台水平度数据。雷达控制及数据处理可以利用监测数据将这种形变导致的指向偏差进行修正，以达到改善测高精度的目的。如图3所示。

图3：基于动态水平仪的阵面倾角误差动态修正流程

在某型三坐标雷达上加装了动态水平仪，在天线正常转动情况下，动态水平仪可实时显示平面水平度的X 轴和Y轴的值变化情况，其中转台形变对雷达指向偏差最大可达0.15 度，如不加以修正，在300 公里处可产生近800 米的高度偏移，因此通过加装动态水平仪等的综合修正系统，能有效降低由天线转台形变带来的测高误差。

通过动态水平仪获取的阵面姿态信息，辅助当前伺服方位角度信息，形成补偿数据，通过雷达控制系统进行修正，将对应的发射波束指向和接收波束指向实时根据获得的补偿数据进行修正。

2.2 通道监测与校正

有源相控阵天线在幅相控制精度理想的情况下，可以实现接近理论的波束形状。在实际应用过程中，受器件，各通道网络等差异，仍然会导致各通道的幅度、相位存在不一致现象。相控阵雷达各通道幅相不一致时，在DBF 时会使波束形状发生变化，如主波束展宽、副瓣电平抬升、波束指向与实际不符等[6]。所以在实际使用中，幅相一致性监测及校正将是综合修正系统中需要解决的问题。

三坐标雷达通常采用内监测的方式进行通道一致性监测及校准。当雷达收发组件发生更换或外界环境出现较大变化后，阵面通道的幅度相位分布将会发生变化，此时需要对阵面通道一致性进行重新校准。由于雷达监测耦合器、行馈等影响，当更换故障组件后，受器件不一致等因素影响，使用阵面内监测进行接收通道校准时容易引入额外误差，对测高精度带来不利影响。

通过在雷达阵面前方固定位置加装一个便携式外监测定位天线，利用内监测与外监测相结合的方式完成故障组件更换后阵面通道一致性的监测与校准。阵面通道一致性监测及校准流程如图4所示。

图4：通道监测与校正系统框图

雷达天线阵面完成性能标校后，首先利用外监测天线对阵面各收发通道进行测试得到阵面初始幅相分布，并作为外监测标准数据进行保存；在雷达使用过程中，若组件出现故障，对组件进行了更换，则再次利用外监测天线进行测试，得到当前阵面幅相分布，并与外监测标准数据进行比较得到修正值，利用计算得到的幅度、误差修正值完成更换故障组件后阵面通道一致性的重新校准，消除器件误差。

雷达正常工作时，通过控制软件采用原有阵面内监测功能对接收通道幅相一致性进行日常监测与校准，当某些通道一致性超过误差门限时进行自动告警，提示开展故障组件维修或更换工作。更换完成后，利用外监测天线完成幅相修正，以消除器件误差。通过改善幅相一致性也进一步减少系统测高误差，通过实际测量，通过改善通道幅度误差，使得角敏函数误差带来的指向误差从0.17 度降低至0.06 度。如图5和图6所示。

图5：阵面性能恶化后各通道幅度一致性

图6：进行综合修正后阵面各通道幅度一致性

2.3 测高误差图修正

测高误差图修正主要针对于遮蔽、多径、杂波等外界因素影响而造成的测高偏差，其往往难以形成普适性，与目标所处的距离、方位、仰角层相关性强。

此时，可建立综合修正系统，通过辅助设备信息（如ADS_B 设备等）获得标准真值高度，与实际测量高度进行数据积累和对比，迭代形成“距离-方位-仰角层”测高误差图。将全空域不同方位、不同距离段分为若干个测高误差单元，对每一测高单元的辅助设备高度测量数据及一次雷达测高数据进行统计分析，积累得到每个区域的测高修正值，将全方位修正值以配置文件的形式存入系统，并以测高误差图的形式进行可视化显示。同时，在数据处理测高功能软件中增加测高误差综合修正功能，测高计算时根据一次雷达测量参数查找索引到测高误差图对应单元存储的测高误差修正数值，并利用此值完成测高误差的在线修正。

测高误差图离线生成过程可表述为：

式中，He(Ri,Ai,θi)为第i个测高误差单元的积累误差值，Ni为雷达观测在该单元的积累样本量，和分别为第j次雷达实际测高值与其对应的标准真值，Ri,Ai,θi分别表示距离，方位以及仰角层序号。则基于测高误差图的综合修正过程可表示为：

其中H，为修正后测高数据；H为雷达实时测高结果；r,a,θ为当前测试点所处的距离，方位，仰角层序号。

根据标准真值高度，综合修正系统生成如图7所示测高误差图，辅助高度修正，并在显示软件上可视化显示。

图7：测高误差图

3 仿真分析及实验情况

3.1 天线水平度引起的测高误差修正

通过实装进行验证试验，应尽量降低其他测高误差分量对测高误差贡献，选择存在较严重天线水平度偏差的数据，通过积累民航数据，利用同时期记录的ADS_B 设备作为标准值，当三坐标雷达出水平度偏差引起的测高误差时，通过对比启用动态水平仪补偿前后数据对比，分析测高误差如图8所示。

图8：水平度修正前后仰角测量误差情况

可以观察到修正前，仰角测量误差与天线水平度之间存在强相关性，通过综合修正系统后，这种相关性消失，测高误差得到优化。

3.2 接收通道一致性引起的测高误差修正

通过实装进行验证试验，尽量降低其他测高误差分量对测高误差贡献，选择存在较严重通道一致性的数据，通过积累民航数据，利用同时期记录的ADS_B 设备作为标准值，此时三坐标雷达出现通道一致性告警，分析测高误差如图9所示。

图9：测高误差情况及特定高度层统计情况

利用综合修正系统，采取修正后，统计分析测高误差如图10所示。

图10：修正后测高误差情况及特定高度层统计情况

可以观察到通过综合修正系统修正后，系统通道一致性得到改善，对应的测高误差也得到优化。

3.3 外部环境等引起的测高误差修正

通过实装进行验证试验，尽量降低其他测高误差分量对测高误差贡献，选择存在外部环境引起的测高误差的数据，通过积累民航数据，利用同时期记录的ADS_B 设备作为标准值，当三坐标雷达存在外部环境等引起的测高误差偏差时，综合修正系统通过积累迭代测高误差图进行修正，分析测高误差修正情况如图11所示。

图11：测高误差修正前后对比情况

可以观察到通过综合修正系统修正后，由外部环境引起的测高误差得到一定改善。

4 结论

随着雷达技术的发展和普及，三坐标雷达测高设计相对成熟，但在使用中仍然会暴露出各种测高误差大的问题。究其原因，与装备使用条件及外部因素均有关系，如天线转台形变，通道一致性，环境影响等多种原因会导致引起高度误差的现象。在雷达设计初期，除了在测高设计中尽量优化流程以减小误差产生外，还需要在设计中充分分析各种引起的测高误差的原因，设计出针对性的综合测高修正系统，利用系统内各传感器的实时工作，准确及时的监测和获取引起测高误差的关键部件及系统的状态，为测高误差修正提供依据。同时综合修正系统和雷达测高及处理流程相对独立，也便于现有装备改进和提升，具有较强实用性。

经过实际装备数据积累和验证，也进一步验证了测高误差综合修正系统的针对性和有效性，具有实际应用价值，对三坐标雷达的性能改进、升级中设计的测高精度分析和改善具有一定借鉴意义。