陳鳳友，石一鳴

(解放軍91550部隊(duì)， 遼寧 大連 116023)

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·天饋伺系統(tǒng)·

多模饋源跟蹤雷達(dá)幅相一致性標(biāo)定研究

陳鳳友，石一鳴

(解放軍91550部隊(duì)， 遼寧 大連 116023)

以前的脈沖跟蹤雷達(dá)幅相一致性標(biāo)定過(guò)程繁瑣、標(biāo)定環(huán)境受限。多模自跟蹤雷達(dá)建立了天線偏離角與輸出角偏差信號(hào)大小關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)獲取被跟蹤目標(biāo)相對(duì)天線角度變化值以及角偏差電壓變化值，形成了幅相一致性標(biāo)定的新方法，對(duì)提高幅相標(biāo)定效率、克服標(biāo)定環(huán)境局限性等具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

多模自跟蹤；幅相一致性；S曲線

0 引 言

在脈沖跟蹤測(cè)量雷達(dá)中，為實(shí)現(xiàn)和保證伺服系統(tǒng)完成對(duì)目標(biāo)角度的穩(wěn)定跟蹤，跟蹤接收機(jī)的和差差三通道必須滿足幅相一致性標(biāo)定的要求[1]。對(duì)于靶場(chǎng)雷達(dá)，之前使用的幅相一致性標(biāo)定方法首先需要在跟蹤點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)定時(shí)通過(guò)對(duì)方位和俯仰分別拉偏來(lái)實(shí)現(xiàn)，操作干預(yù)多、過(guò)程繁瑣；其次，作為放球試驗(yàn)來(lái)講受天氣等因素的制約，如若天氣條件不好，放球試驗(yàn)的效果將不能標(biāo)定和驗(yàn)證，甚至無(wú)法進(jìn)行跟蹤點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)定試驗(yàn)。對(duì)于多模饋源的脈沖跟蹤測(cè)量雷達(dá)，建立偏離角與跟蹤角偏差信號(hào)提取關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，研究幅相一致性標(biāo)定的新方法，對(duì)縮短幅相標(biāo)定時(shí)間、提高效率、克服標(biāo)定天氣等環(huán)境局限影響等具有重要的使用價(jià)值[2]。

1 三通道接收機(jī)幅相一致性標(biāo)定原理

在卡式天線結(jié)構(gòu)中，多模饋源作為高增益聚集天線的初級(jí)輻射器，為主天線提供有效的照射，因而被看成天線的心臟。典型三通道靶場(chǎng)單脈沖跟蹤測(cè)量雷達(dá)的接收機(jī)三個(gè)通道分別為和通道、方位差通道、俯仰差通道，為保證接收機(jī)三個(gè)接收通道的幅度及相位的一致性要求，通常的做法是對(duì)接收通道進(jìn)行幅/相補(bǔ)償，基本方法是把和通道作為比較基準(zhǔn)，將方位差通道和俯仰差通道的幅度及相位數(shù)值分別補(bǔ)償?shù)脚c和通道一致[3-5]。因兩個(gè)差通道一樣，以一個(gè)差通道為例，設(shè)和通道數(shù)據(jù)為ΣI+jΣQ，差通道數(shù)據(jù)為ΔI+jΔQ，差通道信號(hào)經(jīng)過(guò)幅相補(bǔ)償后數(shù)據(jù)分別為ΔI補(bǔ)償+jΔQ補(bǔ)償，差通道的幅度補(bǔ)償和相位補(bǔ)償分別為K補(bǔ)、φ補(bǔ)，其補(bǔ)償系數(shù)分別為KI+jKQ，所以，差通道幅相補(bǔ)償量就可表示成

Δ補(bǔ)=K補(bǔ)exp(jφ補(bǔ))=KI+jKQ

(1)

補(bǔ)償后的信號(hào)可表示為

Δ補(bǔ)后=(ΔI+jΔQ)KI+jKQ

(2)

根據(jù)幅相補(bǔ)償原則，補(bǔ)償后的差通道信號(hào)應(yīng)當(dāng)?shù)扔诤屯ǖ佬盘?hào)，而和通道信號(hào)正交采樣IQ數(shù)據(jù)分別為ΣI、ΣQ，即

Δ補(bǔ)后=ΣI+jΣQ

(3)

向和、差通道輸入等幅等相信號(hào)，計(jì)算幅相補(bǔ)償系數(shù)。根據(jù)幅相補(bǔ)償?shù)母拍?，可得到如下公?/p>

(4)

可求解得到差通道的幅相補(bǔ)償系數(shù)為

(5)

(6)

2 脈沖雷達(dá)傳統(tǒng)幅相標(biāo)定流程

在傳統(tǒng)幅相標(biāo)定工作過(guò)程中，雷達(dá)天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)后，在方位或俯仰方向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行拉偏，進(jìn)行二次采樣平均計(jì)算以減少誤差，一般正偏、負(fù)偏各1 mil(1 mil=0.025 4 mm)。拉偏時(shí)，雷達(dá)信號(hào)處理將模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的三通道IQ支路數(shù)據(jù)通過(guò)CPCI總線傳至測(cè)量計(jì)算機(jī)，測(cè)量計(jì)算機(jī)幅相一致性標(biāo)定軟件采用平均統(tǒng)計(jì)法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并按照上式的計(jì)算方法標(biāo)定幅相補(bǔ)償系數(shù)，其標(biāo)定流程如圖1所示。

圖1 幅相一致性標(biāo)定流程

由于伺服系統(tǒng)是通過(guò)偏置電壓的設(shè)置量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)電軸的角度拉偏，其實(shí)際拉偏角度數(shù)值上不能嚴(yán)格地對(duì)應(yīng)1 mil，需要結(jié)合微光電視的脫靶量來(lái)判斷定向靈敏度是否滿足1 V/mil 的指標(biāo)要求。若不滿足指標(biāo)要求，則需根據(jù)定向靈敏度變化量計(jì)算定向靈敏度系數(shù)并手動(dòng)輸入。

3 多模饋源跟蹤雷達(dá)幅相一致性標(biāo)定

3.1 多模饋源跟蹤雷達(dá)

單脈沖體制跟蹤測(cè)量雷達(dá)是利用差模電磁場(chǎng)的天線接收方向圖以軸向?yàn)榱阒?、偏軸有幅度、相位極性的規(guī)律變化來(lái)實(shí)現(xiàn)角度的自動(dòng)閉合跟蹤，饋源能夠同時(shí)獲取用于保證穩(wěn)定跟蹤的方位和俯仰的角偏差信息，且對(duì)運(yùn)動(dòng)較快目標(biāo)的跟蹤具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)滯后小的特點(diǎn)。

高頻接收機(jī)使用三個(gè)下行接收信道,分別傳送和(Σ)信號(hào)、方位差(A)信號(hào)和俯仰差(E)信號(hào)。其中，和信號(hào)由和模(TE11)產(chǎn)生，差信號(hào)由差模(TE21、TM01、TE01)組合產(chǎn)生。采用上述模式的饋源由多模喇叭、圓極化器、和差網(wǎng)絡(luò)等組成。根據(jù)和、方位、俯仰三路信號(hào)之間的比值，可實(shí)時(shí)解調(diào)出方位角與俯仰角偏離軸向角度，形成誤差電壓驅(qū)動(dòng)天線運(yùn)動(dòng)保證雷達(dá)電軸對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，從而保持對(duì)目標(biāo)的連續(xù)穩(wěn)定跟蹤。

3.2 跟蹤角偏差信號(hào)的形成過(guò)程

該脈沖雷達(dá)接收右旋圓極化信號(hào)，目標(biāo)在空間偏離軸向時(shí)產(chǎn)生偏差信號(hào)的原理如圖2所示。其中，天線的輻射中心為O點(diǎn)，目標(biāo)位置為P點(diǎn)，目標(biāo)視軸方向?yàn)镺P，天線電軸方向?yàn)镺O′。OO′與OP的空間夾角θ，θ即為目標(biāo)偏離天線電軸方向的空間角，φ為天線電軸與目標(biāo)P點(diǎn)構(gòu)成的平面與方位差波束的夾角。

圖2 雷達(dá)角偏差信號(hào)的形成原理

當(dāng)P點(diǎn)目標(biāo)的信標(biāo)信號(hào)為Us=Ue-jωt，與θ、φ無(wú)關(guān)。P點(diǎn)信號(hào)在饋源(正交模耦合器)激勵(lì)起基模TE11，經(jīng)過(guò)饋源和口輸出，這是因?yàn)樵趫A波導(dǎo)中TE11模具有對(duì)天線軸向偶對(duì)稱的方向性圖。TE11模在饋源和端輸出口為

UΣ(t)=Ucosωt

(7)

式中：ω為信號(hào)角頻率。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式中：ka，ke分別為方位、俯仰通道的天線方向圖差斜率?？筛鶕?jù)天線方向圖由下式計(jì)算得到

(15)

式中：k為方位或俯仰通道的歸一化差斜率；θ0.5為和波束半功率波束寬度；Gm為和波束最大電平值；θ為方位面或俯仰面的角度值；GΔ為θ對(duì)應(yīng)的差方向圖電平值。

理想左旋圓極化來(lái)波可用下式來(lái)表示

(16)

根據(jù)天線互易原理，分別得到和、方位和俯仰的電壓為

Us=Es·Ec=ej(rc-φ)

(17)

(18)

(19)

于是，可以分別得到方位和俯仰的角偏差電壓為

(20)

(21)

式中：φa、φe分別為方位通道、俯仰通道相對(duì)和通道的相位差。

3.3 多模角偏差信號(hào)的形成原理

對(duì)于不同時(shí)刻雷達(dá)天線電軸相對(duì)目標(biāo)的不同位置，可用坐標(biāo)(θ,φ)表示。其中，方位方向偏開(kāi)角度為θcosφ，俯仰方向偏開(kāi)角度為θsinφ。設(shè)t1時(shí)刻雷達(dá)天線電軸相對(duì)目標(biāo)位置為(θ1,φ1)，對(duì)應(yīng)角偏差電壓為(Va1,Ve1)；t2時(shí)刻雷達(dá)天線電軸相對(duì)目標(biāo)位置為(θ2,φ2)，對(duì)應(yīng)角偏差電壓為(Va2,Ve2)。

t1～t2時(shí)刻，目標(biāo)相對(duì)天線的移動(dòng)角度為

(22)

當(dāng)天線偏轉(zhuǎn)一定角度后，由上式可得方位、俯仰角偏差電壓為

(23)

通過(guò)差分，可以得到目標(biāo)偏離天線的角偏差電壓變化值為

(24)

將上式代入得

(25)

通過(guò)式(25)可求出方位及俯仰通道相對(duì)和通道的相位差φa和φe。

根據(jù)相位差關(guān)系及幅相補(bǔ)償系數(shù)修正前后模不變的原則，可得

(26)

(27)

同理可得修正后的俯仰支路定向靈敏度系數(shù)LE′。

4 結(jié)束語(yǔ)

脈沖雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)就是具有較高的測(cè)角精度，但這必須建立在實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)幅相一致性校準(zhǔn)，測(cè)角精度基本能達(dá)到1%的波束寬度。而基于多模自跟蹤體制，通過(guò)建立天線偏離角與角偏差信號(hào)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，獲取目標(biāo)相對(duì)天線角度變化值以及角偏差電壓變化值，確定了幅相補(bǔ)償系數(shù)新的計(jì)算方法。該方法應(yīng)用于靶場(chǎng)實(shí)際工作中，可有效提高單脈沖跟蹤測(cè)量雷達(dá)幅相一致性標(biāo)定的精度和效率。

[2] 斯科尼克. 雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論[M]．3版．南京電子技術(shù)研究所, 譯．北京: 電子工業(yè)出版社，2006． SKOLNIK M I. Introduction to radar system[M]. 3rd ed. Nanjing Research Institute of Electronics Technology, translate. Beijiing: Publishing House of Electronics Industry, 2006.

[3] 程 鈞, 鐘 嵐. 單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)幅相一致性自動(dòng)化標(biāo)定的實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2007, 29(4): 28-30. CHENG Jun, ZHONG Lan. Realization of automated calibration of indentity of amplitude and phase in mono-pulse radar[J]. Modern Radar, 2007, 29(4): 28-30.

[4] 宋石玉, 劉 詠. 單脈沖雷達(dá)海上幅相一致性標(biāo)定方法初探[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2011, 11(9): 2114-2116. SONG Shiyu, LIU Yong. The primary measure of monopulse radar offshore amplitude-phase calibration[J]. Science Technology and Engineering, 2011, 11(9): 2114-2116.

[5] 梁士龍, 郝祖全. 單脈沖雷達(dá)的一種角誤差提取方法[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2003, 25(1): 18-20. LIANG Shilong, HAO Zuquan. A method of angle error extraction for monopulse radar[J]. System Engineering and Electronics, 2003, 25(1): 18-20.

陳鳳友 男，1975年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槊}沖雷達(dá)總體技術(shù)。

石一鳴 女，1985年生，工程師。研究方向?yàn)槊}沖雷達(dá)信號(hào)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

A Study on the Calibration of Amplitude and Phase Consistency Based on the System of Multi-mode Tracking

CHEN Fengyou，SHI Yiming

( The Unit 91550 of PLA, Dalian 116023, China)

The previous calibration method of the amplitude and phase consistency, which is used on the monopluse radar, has some weak points, such as the performable process being complex and the calibrating environment being limited. Multi-mode tracking established a mathematical model of the relation between deviation angle and error voltage, through obtaining the variational value of deviation angle and error voltage, a new method is determined, which is used to calibrate the amplitude and phase consistency. It has important application value for improving the efficiency of the amplitude and phase calibration, as well as overcoming the limitation of the calibrating environment.

multi-mode tracking; amplitude and phase consistency; S curve

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.11.015

陳鳳友 Email：dlchfy@sina.com

2016-08-17

2016-10-19

TN958

A

1004-7859(2016)11-0071-04