《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于角閃爍抑制的高分辨雷達(dá)角跟蹤技術(shù)
趙東濤,王 浩
摘要: 針對(duì)高分辨導(dǎo)引頭雷達(dá)在近距離跟蹤目標(biāo)時(shí)出現(xiàn)角閃爍問(wèn)題,采用基于角閃爍抑制的高分辨測(cè)角算法。對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行一維成像處理,以距離像幅度作為單脈沖測(cè)角幅度,利用單脈沖測(cè)角方法得到目標(biāo)在各個(gè)距離單元內(nèi)的角度信息,通過(guò)加權(quán)平均處理,得到目標(biāo)幾何中心空間角度。仿真結(jié)果表明,該方法可以抑制角閃爍偏差,提高導(dǎo)引頭角跟蹤精度。
Abstract:
Key words :

隨著精確制導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展,導(dǎo)彈應(yīng)具有直接瞄準(zhǔn)目標(biāo)并打擊其要害部位,這就要求雷達(dá)不僅能對(duì)目標(biāo)整體進(jìn)行測(cè)量、跟蹤,而且還要從角度上分辨出目標(biāo)不同的部位,因此雷達(dá)必須具有很高的測(cè)角精度。但是當(dāng)高分辨導(dǎo)引頭雷達(dá)接近目標(biāo)時(shí),角閃爍成為雷達(dá)測(cè)角的主要誤差來(lái)源,因?yàn)榇藭r(shí)目標(biāo)不再是點(diǎn)目標(biāo),而是由幾個(gè)強(qiáng)散射中心組成的分布式目標(biāo),回波信號(hào)由這些散射中心的回波矢量合成,這個(gè)合成等
效為一個(gè)視在中心的結(jié)果,中心位置就是實(shí)際測(cè)量的位置。隨著目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng),散射中心的反射不斷變化,導(dǎo)致回波相位波前面的畸變,波前在接收天線口徑面上的傾斜和隨機(jī)擺動(dòng)從而產(chǎn)生測(cè)角誤差,這種現(xiàn)象稱為“角閃爍”,嚴(yán)重時(shí)角閃爍將會(huì)導(dǎo)致跟蹤點(diǎn)偏離到目標(biāo)之外。因此角閃爍抑制問(wèn)題是導(dǎo)引頭雷達(dá)必須解決的問(wèn)題。
    國(guó)內(nèi)在高分辨雷達(dá)角閃爍抑制方面作了許多研究,提出了基于和差通道距離像的單脈沖測(cè)角,但是這種算法中沒(méi)有考慮天線方向的影響,測(cè)角精度不高。本文基于此并對(duì)其不足有所改進(jìn),從高分辨雷達(dá)角閃爍產(chǎn)生的根本原因入手,提出一種基于高分辨雷達(dá)測(cè)角算法。該算法在測(cè)角前首先對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)和差通道進(jìn)行一維成像,然后根據(jù)單脈沖雷達(dá)測(cè)角原理得到目標(biāo)在各個(gè)距離單元的角度信息,最后通過(guò)加平均處理得到目標(biāo)幾何中心空間角度。

1 高分辨雷達(dá)的角閃爍特性分析
   
線性調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)是高分辨雷達(dá)常用的一種形式,該信號(hào)是把步進(jìn)頻率中的常載頻子脈沖換成線性調(diào)頻子脈沖,其優(yōu)點(diǎn)是保持步進(jìn)頻率信號(hào)能量和總帶寬不變的同時(shí)減少步進(jìn)階梯的周期數(shù),從而提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)利用率。信號(hào)的表達(dá)式為
   
    其中,為基帶線性調(diào)頻子脈沖;線性調(diào)頻子脈沖個(gè)數(shù)為N;Tr為子脈沖重復(fù)周期;Tp為時(shí)寬;子脈沖帶寬BN=B/N;調(diào)頻斜率K=BN/Tp。相鄰子脈沖間的載頻增量為△f;第一個(gè)子脈沖的中心頻率為fo;則第i個(gè)子脈沖的中心頻率為fci=fo+iBN;其中i=0,1,2,…,N-1。
    毫米波雷達(dá)發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于目標(biāo)尺寸,工作在目標(biāo)光學(xué)區(qū),后向散射回波可以認(rèn)為目標(biāo)上強(qiáng)散射中心回波合成。設(shè)目標(biāo)上有M個(gè)散射中心到雷達(dá)的徑向距離分別Rk,k=1,2,…,M,不考慮目標(biāo)和導(dǎo)引頭之間相對(duì)運(yùn)動(dòng),則第i個(gè)子脈沖回波為
   
    式中,Tk=2Rk/c為第k個(gè)散射點(diǎn)延遲,將回波信號(hào)與本振信號(hào)混頻,輸出視頻信號(hào)為
   
    由式(3)可以看出,調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)視頻回波由兩部分組成,信號(hào)處理可以分為兩個(gè)步驟:首先在各個(gè)PRT內(nèi)進(jìn)行線性調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮,其次對(duì)壓縮后進(jìn)行PRT之間的IDFT處理。
    不考慮目標(biāo)和導(dǎo)引頭之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),線形調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮結(jié)果為

    取采樣時(shí)刻為t=iTr+τk可得采樣后第i個(gè)子脈沖的回波輸出為
  
    這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)N個(gè)脈沖串的壓縮,合成一個(gè)大帶寬脈沖信號(hào),其總帶寬B=N△f,距離分辨率為△R=c/2B。當(dāng)△R目標(biāo)徑向尺寸時(shí),IDFT處理所得的序列幅度{x(m)| m=1,2,…,M}反映了目標(biāo)上強(qiáng)散射中心的雷達(dá)散射截面積在徑向距離軸上的投影分布,稱為目標(biāo)的一維距離像。

2 高分辨雷達(dá)的角閃爍抑制
   
高分辨雷達(dá)由于在和、方位差、俯仰差3個(gè)通道都實(shí)現(xiàn)了高分辨處理,因此在3個(gè)通道均可以得到目標(biāo)高分辨距離像。以方位差通道為例,設(shè)目標(biāo)上有M個(gè)散射中心,第i(i=1,2,…,M)個(gè)散射中心的強(qiáng)度為ui,和通道目標(biāo)距離像用于目標(biāo)檢測(cè),如果在和通道檢測(cè)到目標(biāo),則根據(jù)單脈沖測(cè)角原理,把目標(biāo)區(qū)域的通過(guò)和通道檢測(cè)的目標(biāo)譜峰所對(duì)應(yīng)的距離單元的方位差通道一維像幅度用對(duì)應(yīng)的和通道一維像幅度歸
一化,就可以得到目標(biāo)在該距離單元的方位角。即
   
    式中,u∑(i)為和通道目標(biāo)距離像第i個(gè)散射點(diǎn)的幅度;u△(i)是差通道目標(biāo)距離像第i個(gè)散射點(diǎn)的幅度;Re表示取實(shí)部。F(θ)為雷達(dá)接收天線方向函數(shù),用sin函數(shù)來(lái)描述
   
    式中,θo為天線等信號(hào)軸指向;θk為波束最大值方向與等信號(hào)軸方向的夾角;F'(θ)為其導(dǎo)數(shù)。由此可以求得以距離單元m為變量的目標(biāo)方位角度值,同樣方法可以求出以距離單元m為變量的目標(biāo)俯仰角度值。
    目標(biāo)譜峰檢測(cè)的目的是為了去除弱散射截面距離單元對(duì)角度平滑的影響,使之不參與目標(biāo)幾何中心角度的估計(jì)過(guò)程。因?yàn)楦鶕?jù)角閃爍原理,幅度越小的單元對(duì)應(yīng)的角閃爍越大,最后經(jīng)過(guò)加權(quán)平滑處理后目標(biāo)徑向幾何中心的方位角為
   
    式中,am為加權(quán)平滑算子,一般取線性加權(quán)算子W(am)=1。
    高分辨距離像單脈沖測(cè)角算法步驟總結(jié)如下:
    (1)回波信號(hào)高分辨出處理,得到3個(gè)通道的一維距離像。
    (2)以和通道距離像用于目標(biāo)檢測(cè),得到超過(guò)檢測(cè)電平的距離單元數(shù)目m。
    (3)對(duì)兩個(gè)差通道的距離像用對(duì)應(yīng)距離單元m處距離像幅度用和通道幅度進(jìn)行歸一化,得到θm。
    (4)把各個(gè)距離單元處的角度數(shù)據(jù)合成為整個(gè)目標(biāo)的幾何中心角度θ。

3 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果分析
   
為了驗(yàn)證算法的有效性,設(shè)目標(biāo)上有4個(gè)強(qiáng)散射中心,信號(hào)參數(shù):帶寬B=200 MHz,初始頻率fo=60 MHz,脈沖個(gè)數(shù)N=20。目標(biāo)參數(shù):ri是第i個(gè)散射中心與雷達(dá)的相對(duì)徑向距離,r=[196,198,200,202],單位:cm,θi是第i個(gè)散射中心相對(duì)雷達(dá)視線的方位角,θ=[0.0410,-0.010 2,0.019 0,-0.050],單位:弧度,所有散射點(diǎn)散射強(qiáng)度均相等均為1。根據(jù)以上一維成像算法可以得到目標(biāo)和通道、差通道距離像分別如圖1和圖2所示。采用高分辨距離像測(cè)角算法測(cè)量的角度θ=[0.042 0,-0.014 2,0.020,-0.056],從以上可以看出測(cè)的目標(biāo)角度與實(shí)際目標(biāo)散射中心的角度是相當(dāng)吻合,均勻加權(quán)后得到目標(biāo)徑向幾何中心的方位角θ=-2.05×10-3。


     下面以某導(dǎo)引頭雷達(dá)對(duì)某飛機(jī)跟蹤過(guò)程為例仿真,信號(hào)和目標(biāo)參數(shù)如上,跟蹤距離為390~210 m,目標(biāo)在水平面內(nèi)做勻速運(yùn)動(dòng),目標(biāo)上有4個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)。圖3是分別采用點(diǎn)目標(biāo)測(cè)角算法與高分辨測(cè)角算法得到的跟蹤角度與目標(biāo)真實(shí)角度值偏差比較,可以看出后者的誤差遠(yuǎn)小于前者,已經(jīng)處于目標(biāo)尺寸范圍之內(nèi)。



4 結(jié)束語(yǔ)
   
從目標(biāo)角閃爍產(chǎn)生的根本原因入手,分別在和差通道對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行一維成像處理后,通過(guò)高分辨測(cè)角算法求出其對(duì)應(yīng)距離單元的方位角與俯仰角,然后將多個(gè)距離單元角度進(jìn)行加權(quán)平均處理,得到目標(biāo)徑向幾何中心對(duì)應(yīng)的空間角度。仿真結(jié)果表明,能夠很好地抑制角閃爍引起的角度測(cè)量偏差,是提高角跟蹤精度的有效途徑之一。

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