- 雷達導引頭概論
- 高烽編著
- 159字
- 2018-12-27 17:28:29
5.2 信息提取
在雷達導引頭中,邊搜索邊跟蹤和實時跟蹤濾波是兩種常用的提取目標信息的方法。邊搜索邊跟蹤技術常用于目標機動較小的場合,如反艦導彈雷達導引頭可采用邊搜索邊跟蹤技術提取目標角度等信息。實時跟蹤濾波技術常用于目標機動較大的場合,如防空導彈雷達導引頭可采用頻率跟蹤系統提取速度信息,采用角跟蹤系統提取視線角速率信息等。
5.2.1 速度信息
導彈-目標徑向速度由導引頭的速度跟蹤系統提取,它利用窄帶跟蹤濾波器,在跟蹤多普勒頻移的基礎上解算出徑向速度。
1.多普勒效應
當信號源與觀察者之間存在相對運動時,多普勒效應表現為觀察者接收到的信號與信號源信號之間的頻率差異,其頻差稱為多普勒頻率,它是信號源工作波長和徑向速度的函數,即

式中:νr為信號源與觀察者的徑向速度,即沿視線方向的速度分量;λ為信號源發射信號的波長。
以圖5-17所示的空空半主動尋的系統的照射器、目標與導彈相對運動關系為例,分析該系統的多普勒效應[3]。圖中:照射器位于I 點,目標位于T點,導彈位于M 點;νI、νT、νM分別為照射器、目標和導彈的速度;角度α、β、γ、ε、φ和θ的數值由照射器、目標和導彈的相對位置及它們的速度矢量的方向決定。
導引頭可接收來自照射器的直達波信號,此信號簡稱直波信號。對導引頭而言,這是后向接收信號,其頻率為

式中:f0為載波頻率;fD,r(t)為后向多普勒頻率。
照射器發射的信號,經過目標反射后也到達導引頭,此信號稱為回波信號。對導引頭而言,這是前向接收信號,其頻率為

式中:f0為載波頻率;fD,f(t)為前向多普勒頻率。

圖5-17 照射器、目標與導彈相對運動關系
導引頭以直波信號為基準進行相參處理,提取回波信號相對于直波信號的頻差,稱這一頻差為半主動尋的系統的多普勒頻率,即

利用式(5-7)可得

式中:α(t)為導彈速度矢量與導彈-目標連線的夾角;θ1(t)為導彈速度矢量與照射器-導彈連線的夾角;θ(t)為導彈速度矢量與照射器-導彈連線夾角的補角;β(t)為目標速度矢量與導彈-目標連線的夾角;φ(t)為目標速度矢量與照射器-目標連線的夾角;ε(t)為照射器速度矢量與照射器-目標連線的夾角;γ(t)為照射器速度矢量與照射器-導彈連線的夾角。
式(5-11)表明,空空導彈半主動制導系統的多普勒頻率不僅與照射器、目標、導彈的速度矢量有關,還與它們的相對位置有關。由式(5-11)可導出其他制導系統的多普勒頻率。例如,令照射器的運動速度νI(t)=0,則可以得到地空半主動尋的系統多普勒頻率為

又如,令照射器與導彈重合,且vI(t)=νM(t),則可以得到主動尋的系統多普勒頻率為

2.外相參速度跟蹤
借助外部基準信號獲取目標多普勒信息的速度跟蹤回路稱外相參速度跟蹤回路。半主動導引頭的速度跟蹤回路是典型的外相參速度跟蹤回路,它以來自照射器的直波信號為基準,提取來自目標的回波信號與直波信號之間的頻差,從而獲得多普勒信息。直波鎖頻接收機和直波鎖相接收機是提取基準信號的兩種常用模式。
圖5-18為采用直波鎖頻接收機的多普勒信息提取系統。圖中直波鎖頻接收機鎖定在鑒頻器的中心頻率fI上,輸入直波信號頻率f0+fD,r被轉移到微波本振上,使其輸出頻率為f0?fI+fD,r,并與回波信號混頻得回波中頻fI+fD。直波中頻fI和回波中頻fI+fD同時加到多普勒跟蹤回路,提取多普勒頻率fD。顯然,直波鎖頻接收機游離于多普勒跟蹤環路之外,它不是速度跟蹤環路的部件。

圖5-18 采用直波鎖頻接收機的多普勒信息提取系統
圖5-19為采用直波鎖相接收機的多普勒信息提取系統。圖中直波鎖相接收機是一個三端口鎖相環(PLL),從三個端口的頻率關系可知,鎖相環將直波信號頻率與VCO頻率轉移到本振中,其功能如同一個微波混頻器,實現頻率搬移,故可稱其為鎖相移頻環。顯然,鎖相移頻環是構成多普勒跟蹤回路的一個部件。

圖5-19 采用直波鎖相接收機的多普勒信息提取系統
3.內相參速度跟蹤
借助內部基準信號獲取目標多普勒信息的速度跟蹤回路稱為內相參速度跟蹤回路。主動導引頭的速度跟蹤回路是典型的內相參速度跟蹤回路,它以導引頭內部的穩定微波源信號為基準,提取來自目標的回波信號與內部基準信號之間的頻差,從而獲得多普勒信息。主動導引頭的速度跟蹤回路有兩種基本模式:一種是內環式速度跟蹤回路;另一種是外環式速度跟蹤回路。
圖5-20為內環式速度跟蹤回路簡化框圖。系統的相參基準是發射機的主振,鎖相移頻環將主振信號頻率與VCO頻率轉移到本振上,本振信號與目標回波信號混頻獲得包含多普勒頻率的中頻信號,由速度跟蹤環路提取多普勒信息。當信道的中頻較高時,本振信號頻率也可以由主振信號頻率與VCO頻率上變頻得到,可以不用鎖相移頻環。

圖5-20 內環式速度跟蹤回路簡化框圖
圖5-21為外環式速度跟蹤回路簡化框圖。系統的相參基準是本振,它是固定頻率的穩定微波源,發射頻率是由本振頻率與VCO頻率下變頻得到的,雷達導引頭通過控制發射信號的頻率實現多普勒跟蹤。當信道的中頻較低時,應采用鎖相移頻環取代混頻器。在這種環路中,目標是環路的一個部件,速度跟蹤環路是通過空間閉合的,故稱其為外環式速度跟蹤回路。

圖5-21 外環式速度跟蹤回路簡化框圖
盡管不同體制的速度跟蹤回路結構存在較大差異,但它們都是一個自動頻率控制(AFC)系統,圖5-22給出了速度跟蹤環路的通用模型。

圖5-22 速度跟蹤環路的通用模型
應該指出,在半主動導引頭中,通常采用連續波信號,多普勒頻率對應于導彈-目標相對速度。在主動導引頭中,通常采用脈沖信號,當目標回波的多普勒頻移大于脈沖重復頻率時,回波譜線與發射信號譜線關系產生混亂,造成速度模糊,必須采用解模糊措施。
5.2.2 距離信息
導彈-目標距離可用多種方法提取:對于采用連續波信號的雷達導引頭可采用正弦波調頻測距;對于采用脈沖信號的雷達導引頭可以通過測量回波脈沖的延遲時間提取距離信息;導彈-目標距離也可以利用彈目初始距離和徑向速度信息進行解算。
1.調頻測距
在采用連續波信號的半主動導引頭中,可利用調頻測距原理獲取導彈-目標距離。設照射信號為

式中:f0為照射信號載頻;fm為調制頻率;Δfm為頻偏。
導引頭接收的直波信號與回波信號混頻后取差頻,且認為多普勒跟蹤環路是無差跟蹤回路,則頻率誤差為[3]

式中:τ為回波與直波的電波傳播的時間差,計算式為

當πfmτ?1時,可得

Δf 在半個調制周期內的平均值為

即

只要測得值,也就得到了RTM的估值。圖5-23是連續波半主動導引頭距離估值系統的原理框圖。
圖5-23中,相參接收機實現對直波信號與回波信號的差拍處理,速度跟蹤環路對差拍信號中的多普勒頻率進行跟蹤,只要保證速度跟蹤環路的帶寬小于調制頻率fm,鑒頻器輸出中就存在頻率為fm的交流信號,其幅度反映了距離信息。盡管式(5-14)與式(4-76)具有相同的形式,但工程中連續波半主動導引頭往往采用式(4-78)所示的正弦調幅波調頻信號進行測距。

圖5-23 連續波半主動導引頭距離估值系統的原理框圖
2.脈沖測距
脈沖重復周期決定了主動導引頭的最大探測距離,計算式為

式中:c為光速;Tr為脈沖周期。
發射脈沖寬度決定了主動導引頭的最小探測距離,即存在距離探測盲區,其值為

式中:TP為脈沖寬度。
當目標回波的延遲時間大于脈沖周期時,回波脈沖與發射脈沖的對應關系產生混亂,造成距離模糊,應采取解模糊措施。
脈沖導引頭測距系統以自動搜捕方式工作,系統以距離預定值為中心,在預定的區域內以距離門為檢測單元進行檢測,一旦截獲目標便轉入跟蹤狀態,使距離波門穩定地套住回波脈沖,從而提取彈目距離信息。
雷達導引頭通常采用二階回路實施距離跟蹤,距離跟蹤系統原理框圖如圖5-24所示,它由距離誤差產生器、濾波器、速度產生器、距離計數器、前后波門產生器組成。

圖5-24 距離跟蹤系統原理框圖
距離誤差產生器是距離跟蹤回路的敏感部件。用前波門與后波門分別測量波門內回波脈沖的面積并進行比較,可獲得距離誤差信息,其工作原理如圖5-25所示。

圖5-25 距離誤差產生器的工作原理
圖5-25中,前波門的重合計數值為Nf,后波門的重合計數值為Nr,計數器讀入Nf和Nr值,求出距離誤差ε。若Nr>Nf,則ε為正,反之為負。距離誤差ε的計算式為

式中:Tc為時鐘周期;c為光速。
應該指出,除了前后波門計數比較法獲取距離誤差之外,還可以采用其他方法得到距離誤差。比如通過對回波波形采樣估計回波中心位置獲取距離誤差,也可采用跟蹤回波前沿或后沿的方法獲取距離誤差。
α和β濾波器把誤差信號分別送至速度產生器和距離計數器,確保距離跟蹤回路穩定工作。當目標運動時,距離計數器根據誤差值和速度校正值不斷進行調整,使距離門中心始終對準回波中心。
3.解算法測距
距離RMT(t)與徑向速度νr(t)的關系為

式中:RMT0為起始距離。
起始距離由發射控制系統或中制導系統提供。導引頭在獲取初始距離的前提下,利用多普勒跟蹤環路提取的徑向速度計算出導彈和目標間的距離。
5.2.3 角度信息
雷達導引頭的角信息處理系統由測角系統和天線伺服系統組成。
1.測角系統
導引頭借助測角系統敏感視線與導彈軸線的夾角,即測量目標反射或輻射信號的到達角。為了提高實時處理和抗干擾能力,導引頭通常采用單脈沖測角技術。與雷達一樣,導引頭測向系統的測向特性是信號到達角的實奇函數,包含了信號到達角的大小和方向。為了獲取測向特性,必須采用成對天線接收來自目標的反射或輻射信號。包含在成對接收信號中的到達角的原始數據,是單脈沖天線在接收信號時形成的,通常把天線稱為角度敏感器。常用的單脈沖測角系統有三種:振幅式、相位式、振幅和差式。
1)振幅式
單平面內振幅式測角系統如圖5-26所示。為了確定目標在一個平面內的角坐標,需要兩個相互交疊的天線方向圖,這兩個方向圖的中心相對于等信號方向的偏角分別為+θ0和-θ0。

圖5-26 單平面內振幅式測角系統
兩天線接收信號的幅度差與信號到達角的關系呈S曲線,圖5-27為振幅式測向特性示意圖,圖5-27(a)為天線方向圖,圖5-27(b)為測向特性。

圖5-27 振幅式測向特性示意圖
振幅式測角系統的天線和測角信道的振幅特性應具備較高的一致性,否則將影響測角精度。在被動導引頭中,可采用振幅式測角系統粗測目標方向,作為相位式精確測角系統解角度模糊的依據。
應該指出,利用單一天線波束位置的轉換,也可以實現時分比幅測角,如圓錐掃描測角系統等。當波束做圓錐運動時,目標回波信號被調幅,調幅深度反應了目標偏離中心軸線角度的大小,以圓錐掃描頻率為基準,還可以解得目標的偏離方向。對于主動導引頭,由于圓錐掃描頻率容易被偵察與干擾,一般不采用這種體制。對于半主動導引頭,導引頭天線處于隱蔽錐掃狀態,是一種可取的測角體制。
2)相位式
相位式測角系統在被動導引頭中得到了廣泛的應用,是被動導引頭精確測角的主要體制,單平面相位式測角系統如圖5-28所示。當目標處于中軸線方向時,兩天線接收信號的波程差為零,兩路信號的相位差也為零。當目標偏離中軸線時,到達兩天線的信號存在波程差,兩路信號的相位差不再為零,通過相位比較,可求得目標的偏角。

圖5-28 單平面相位式測角系統
當天線的基線長度(天線的間距)大于工作波長時,相位式測角系統存在測角模糊,需要采取解模糊措施。相位式測角系統的工作原理和解模糊技術將在第8章中介紹。
應該指出,理論上也可以通過直接測量兩路信號的波程差所對應的時延,無模糊地獲取角信息。但是,工程中還難以實現高精度測量兩路信號的波程差所對應的微小時延。
3)振幅和差式
單平面內振幅和差式測角系統如圖5-29所示。兩路天線的方向圖相互交疊,天線波束中心軸線相對于等信號方向的偏角分別為+θ0和?θ0。天線的接收信號加到和差網絡,和信號與差信號分別進入和信道與差信道。差信號電平表征目標相對等信號方向的偏角的大小,差信號與和信號的相位差(同相或反相)反應了目標的偏離方向。

圖5-29 單平面內振幅和差式測角系統
圖5-30為振幅和差式測向特性示意圖。圖5-30(a)為兩個偏置的天線方向圖,圖5-30(b)為兩個天線的和差特性。

圖5-30 振幅和差式測向特性示意圖
振幅和差式測角系統具有較高的測角靈敏度和測角精度,通常應用于主動導引頭和半主動導引頭中。
2.天線伺服系統
雷達導引頭角信息處理系統通常與天線伺服系統密切相關。圖5-31是角信息處理系統的典型框圖。圖中:q(t)、θ(t)和e(t)分別為視線角、天線指向角和誤差角;(t)為彈體擾動角速率;u(t)為比例于視線角速度的輸出電壓。

圖5-31 角信息處理系統的典型框圖
角信息處理系統由角誤差解調器和伺服系統組成。伺服系統是一個機電一體化系統,包含驅動通道、陀螺通道和電位器通道。利用電子開關有序組合相應通道,可實現角預定、角穩定和角跟蹤功能。
1)角預定
在雷達導引頭中,通過角預定可以將目標預置到天線主波束中。必要時,也可以利用角預定系統實現角搜索。圖5-31中,當雙聯開關S1閉合,且S2、S3斷開時,伺服系統處于預定狀態。預定信號和電位器通道給出的天線位置反饋信號的誤差電壓通過伺服機構控制天線指向預定方向。
2)角穩定
天線通過傳動機構與彈體固聯,彈體擾動會牽連天線運動,從而干擾了天線的有用誤差信號。為了保證彈體擾動情況下,天線的空間指向不變,需要用慣性元件來穩定導引頭天線。以速率反饋陀螺構成穩定回路是常用方法之一。圖5-31中,當S2閉合,S1、S3斷開時,伺服系統處于穩定狀態,由陀螺通道和伺服驅動通道構成穩定回路,實現天線指向與彈體擾動的隔離。
3)角跟蹤
單脈沖測角是一種常用的雷達測角方法,它利用同時波瓣比較技術,理論上可以從一個脈沖回波中得到二維角信息。單脈沖測角不同于波束轉換或圓錐掃描測角,后兩者的多波束位置是順序產生的,因而不可能從一個脈沖中獲取角信息。單脈沖測角系統可以利用多波束得到的幅度、相位或幅度-相位信息進行角度估值。導引頭通常采用跟蹤式單脈沖測角系統,角誤差信息送到導引頭的伺服系統中,驅動天線朝減小角誤差的方向轉動,連續跟蹤目標,其測角精度遠高于非跟蹤式單脈沖測角系統。跟蹤式單脈沖測角系統不僅應用于主動導引頭,也應用于半主動導引頭和被動導引頭。
導引頭在角跟蹤狀態下,角誤差解調器輸出比例于視線角速率的電壓。圖5-31中,當S2、S3閉合,S1斷開時,伺服系統處于跟蹤狀態,角誤差敏感器測量天線與視線間的角誤差,并通過伺服驅動通道控制天線對目標進行跟蹤。
第11章中將給出有關角預定、角穩定和角跟蹤系統的詳細分析。
5.2.4 仿形處理
仿形技術在雷達導引頭的檢測識別、精確跟蹤、攻擊點選擇等方面具有重要意義。
1.一維仿形
一維仿形可用于識別檢測,也可用來識別目標的要害部位。例如,探測海面目標時,采用時域高分辨技術實現距離維仿形,可以根據體目標的縱向尺寸,實現識別檢測。又如,在反導武器系統中,無線電尋的裝置借助頻域高分辨技術實現頻率維仿形,選擇目標的要害部位實施攻擊。
2.二維仿形
借助時頻二維高分辨技術可實現體目標的二維仿形,可用于識別檢測、定中攻擊或要害部位攻擊。
3.三維仿形
對于近距離體目標,可利用時頻域高分辨與單脈沖偏軸測角技術,實現三維仿形。例如,在距離高分辨的基礎上,對每一個距離分辨元內的目標散射中心進行單脈沖偏軸測角,可實現距離-方位-俯仰三維仿形。又如,在多普勒高分辨的基礎上,對每一個多普勒分辨元內的目標散射中心進行單脈沖偏軸測角,可實現速度-方位-俯仰三維仿形。