李建彬　夏桂芬

摘 要：針對毫米波末制導(dǎo)雷達(dá)角跟蹤精度差的問題，提出基于頻域高分辨像的單脈沖測角算法。該算法根據(jù)單脈沖雷達(dá)測角原理，在測角之前對和差通道的回波信號分別進(jìn)行一維頻域成像，然后在頻域做比幅測角，獲得頻域單元的角度誤差，經(jīng)過一定的濾波處理，得到目標(biāo)徑向幾何中心的空間角度。仿真結(jié)果表明該算法可大大提高單脈沖雷達(dá)的測角精度。

關(guān)鍵詞：單脈沖;測角;頻域高分辨;多普勒頻移;毫米波末制導(dǎo)雷達(dá)

中圖分類號：TN95文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2009)03-059-03

Study on the Angle Estimation Based on the High Frequency Resolution Profile

in the MMW Terminal Guidance Radar

LI Jianbin XIA Guifen2

(1.Representatives Office in Beijing of Military Representatives Bureau of NED in Tianjin,Beijing,100073,China;

2.Beijing Institute of Remote Sensing Equipment,Beijing,100854,China)

Abstract：Designed for the lower angle precision of the MMW terminal guidance radar in angular tracking,the new algorithm based on high frequency resolution profile is proposed in this paper.In this algorithm,the return signal in sum and difference channel is first processed into frequency profile,then the angular error verse frequency cell is attained according to the monopulse angular procedure.Simulation results show that the algorithm is effective to improve the angular accuracy.

Keywords：monopulse;angle estimation;high frequency resolution;Doppler frequency;MMW terminal guidance radar

0 引 言

精確制導(dǎo)技術(shù)是精確制導(dǎo)武器的關(guān)鍵技術(shù)，其重點(diǎn)在于研究確保尋的武器在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中命中目標(biāo)乃至命中目標(biāo)要害部位的尋的末制導(dǎo)技術(shù)。隨著導(dǎo)彈尋的精確制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)雷達(dá)尋的器接近目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)角閃爍已成為微波/毫米波雷達(dá)尋的器跟蹤誤差的主要來源，特別是當(dāng)跟蹤大的擴(kuò)展目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)角閃爍已成為提高末制導(dǎo)雷達(dá)精度的主要障礙［1］。因此，抑制角閃爍，提高末制導(dǎo)雷達(dá)的測角精度是末制導(dǎo)雷達(dá)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

經(jīng)典的抑制角閃爍常用的方法是根據(jù)不同的雷達(dá)體制和應(yīng)用背景，在不同的空間、頻率和極化方式上對目標(biāo)的后向散射回波進(jìn)行分集接收和濾波處理［2-5］。近年來，隨著寬帶雷達(dá)的發(fā)展和應(yīng)用，基于距離高分辨距離像的單脈沖測角技術(shù)在抑制角閃爍方面具有較大的潛力和應(yīng)用前景［6-8］。 本文提出的基于頻域高分辨的測角算法應(yīng)用于毫米波PD體制末制導(dǎo)雷達(dá)，是在系統(tǒng)多普勒分辨率滿足一定的條件下，對目標(biāo)回波進(jìn)行頻域高分辨成像，在和通道中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)散射中心頻域單元的檢測，對檢測出的頻域單元分別求出相應(yīng)的方位角和俯仰角，經(jīng)過一定的濾波處理，得到目標(biāo)的徑向幾何中心的空間角度。仿真結(jié)果表明該頻域高分辨測角技術(shù)可以有效提高末制導(dǎo)雷達(dá)的測角精度。

1 頻域高分辨原理

當(dāng)導(dǎo)彈與目標(biāo)存在相對徑向運(yùn)動時(shí)，產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。對于主動末制導(dǎo)雷達(dá)，點(diǎn)目標(biāo)回波的多普勒頻率為［9］：

fd=2/λ

(1)

式中:Vr(t)為彈目相對徑向速度；λ為發(fā)射信號的波長。目標(biāo)的不同部位與導(dǎo)彈的相對速度是不一樣的，不同部位對應(yīng)的回波多普勒頻率也不同。對于毫米波雷達(dá)而言，其目標(biāo)特性處于光學(xué)區(qū)，由于目標(biāo)的尺寸遠(yuǎn)大于雷達(dá)發(fā)射信號的波長，目標(biāo)可以看成是由多個散射中心組成的擴(kuò)展目標(biāo)。當(dāng)導(dǎo)引頭的視線與目標(biāo)之間存在夾角時(shí)，擴(kuò)展目標(biāo)不同部位散射中心的速度方向與雷達(dá)視線方向不同，進(jìn)而使得各個散射中心的多普勒頻率也存在差異。如果雷達(dá)系統(tǒng)的頻域分辨率滿足要求，就可以分辨出體目標(biāo)的各個強(qiáng)散射點(diǎn)的多普勒頻率，則在頻域上可以得到體目標(biāo)上各個散射點(diǎn)的多普勒頻率信息，從而獲得頻域高分辨一維像。

2 頻域高分辨測角算法

2.1 振幅和差單脈沖測角原理

單脈沖雷達(dá)屬于同時(shí)波瓣法測角。雷達(dá)天線在一個角平面內(nèi)有兩個部分重疊的波束，振幅和差單脈沖雷達(dá)取得角誤差信號的基本方法是這兩個波束同時(shí)收到的信號進(jìn)行和、差波束處理，分別得到和信號、差信號，其中差信號就是該角平面內(nèi)的誤差信號［10］。

以方位平面為例，假定兩個波束的方向性函數(shù)完全相同，設(shè)為F(θ)，兩波束收到的信號電壓振幅分別為E1,E2，兩波束各自相對天線軸線的偏角為δ，則對于偏離天線軸線θ角方向的目標(biāo)，其和信號振幅為:

EΣ=E1+E2=AFΣ(θ)

=AF2Σ(θ)

(2)

其中:F2Σ(θ)為發(fā)射和波束方向性函數(shù)，而F(δ－θ)+F(δ+θ)為接收和波束方向性函數(shù)，它與發(fā)射和波束方向性函數(shù)完全相同；A為比例系數(shù)。

差信號的振幅為:

EΔ=|E1－E2|=AFΣ(θ)

=AFΣ(θ)FΔ(θ)

(3)

其中:FΔ=F(δ－θ)－F(δ+θ)為接收差波束方向性函數(shù)。

假定目標(biāo)的誤差角為ε，則差信號振幅可表示為:

EΔ=AFΣ(ε)FΔ(ε)

(4)

由于ε比較小， 對FΔ(ε)做泰勒級數(shù)可表示為

F′Δ(0)ε，那么:

EΔ=AFΣ(ε)F′Δ(0)ε=AFΣ(ε)FΣ(0)F′Δ(0)FΣ(0)ε

霢F2Σ(ε)ηε

(5)

其中:FΣ(0)霧Σ(ε)，η=F′Δ(0)FΣ(0)。

所以，在一定的誤差角范圍內(nèi)，差信號的振幅大小與誤差角ε成正比。差信號的相位表明目標(biāo)偏離天線軸線的方向,所以誤差角可以表示為:

ε=EΔEΣηcos(φ)

(6)

其中，當(dāng)差信號與和信號同相時(shí)，φ取0，反之取π。

2.2 頻域高分辨測角算法

PD雷達(dá)有三個回波接收通道，分別為和通道、方位通道和俯仰通道，記為E,Δf,Δy，對三個通道分別作FFT處理，獲得三通道的頻域高分辨一維像。對和通道一維像進(jìn)行目標(biāo)檢測，可以獲得強(qiáng)散射點(diǎn)的多普勒位置信息，然后根據(jù)單脈沖偏軸測角原理，可得到各散射點(diǎn)的方位角誤差εfi和俯仰角誤差εyi：

εfi=Δf(i)E(i)， εyi=Δy(i)E(i)

(7)

對各散射點(diǎn)的角誤差進(jìn)行濾波處理，可得到目標(biāo)幾何中心的角誤差，即:

εf=∑iαiεfi, εy=∑iβiεyi

(8)

其中，ai,βi為加權(quán)系數(shù)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證算法的有效性，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。導(dǎo)彈和目標(biāo)的位置關(guān)系如圖1所示。導(dǎo)彈運(yùn)動速度VM為450 m/s,目標(biāo)的運(yùn)動速度VT為1 000 m/s。α1為30°，目標(biāo)長度為20 m，取頭、尾兩個散射中心，則頻域高分辨一維像如圖2所示，其中彈目距離為150 m時(shí)， 頻率分辨率為100 Hz。

圖1 彈目運(yùn)動位置關(guān)系示意圖

圖2 頻域高分辨一維像

為了驗(yàn)證頻域高分辨測角的效果，圖3、圖4分別給出常規(guī)單脈沖測角和不同頻率分辨率下的測角結(jié)果。其中測角結(jié)果用歸一化的線偏差來表示［1］。 可以看出常規(guī)單脈沖測角誤差比較大。分辨率為800 Hz,400 Hz和100Hz的測角結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?測角精度大大提高，并且分辨率越高，測角精度越高。

圖3 常規(guī)單脈沖測角線偏差

圖4 不同頻率分辨率下的測角結(jié)果

4 結(jié) 語

高重頻PD體制末制導(dǎo)雷達(dá)在防空系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，提高其角跟蹤精度是急需解決的關(guān)鍵技術(shù)。本文在分析頻域高分辨原理及單脈沖測角原理的基礎(chǔ)上，提出頻域高分辨測角算法，該方法實(shí)現(xiàn)簡單，適合工程應(yīng)用。仿真結(jié)果表明該算法可有效提高系統(tǒng)的角跟蹤精度，并且分辨率越高，測角精度越高。

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作者簡介 李建彬 男，1963年出生，山東臨沂人，高級工程師。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)末制導(dǎo)系統(tǒng)總體研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。