經(jīng)典雷達資料-第18章 跟蹤雷達-1.doc

709第18章 跟 蹤 雷 達第18章 跟 蹤 雷 達Dean D. Howard18.1 引言典型的跟蹤雷達可發(fā)射筆形波束，以接收單個目標的回波，并跟蹤目標的方位、距離或/和多普勒頻率。其分辨單元由天線波束寬度、發(fā)射脈沖寬度及多普勒頻帶寬度決定。分辨單元與搜索雷達的分辨單元相比通常很小，用來排除來自于其他目標、雜波及干擾等不需要的回波信號。電子波束掃描相控陣跟蹤雷達可以通過順序駐留測量每個目標而跟蹤多個目標，同時排除其他回波或信號源。由于跟蹤雷達波束窄，通常是幾分之一度至1或2，因此它常常依賴于搜索雷達或其他目標定位源的信息來捕獲目標，即在開始跟蹤之前，將它的波束對準目標或置于目標附近。在鎖定目標或閉合跟蹤環(huán)之前，波束可能需要在有限的角度區(qū)域內(nèi)掃描，以便將目標捕獲在波束之內(nèi)，并使距離跟蹤波門位于回波脈沖的中心。跟蹤雷達由波束指向的角度和距離跟蹤波門的位置來決定目標位置，其角度定位由從天線跟蹤軸上的同步機或編碼器數(shù)據(jù)獲得（或是從電子掃描相控陣雷達的波束指向計算機數(shù)據(jù)獲得）。在某些情況下，跟蹤滯后是通過把來自跟蹤環(huán)的跟蹤滯后誤差電壓轉(zhuǎn)換成角度單位來度量的。為了實時校正跟蹤滯后誤差，通常把這個數(shù)據(jù)加到角度軸位置數(shù)據(jù)之上或從角度軸位置數(shù)據(jù)中減去此數(shù)據(jù)。跟蹤雷達系統(tǒng)的種類很多，其中有的能同時完成監(jiān)視和跟蹤兩種作用。本章將詳細討論的是一種得到廣泛應(yīng)用的陸基跟蹤系統(tǒng)。它有一個安裝在旋轉(zhuǎn)平臺上的筆形波束天線，方位和仰角位置由電機驅(qū)動來跟蹤一個目標（如圖18.1所示），通過檢測回波波前的到達角而確定指向誤差，并用以校正天線位置以保持目標處于波束中心。跟蹤雷達主要應(yīng)用于武器控制和導(dǎo)彈靶場測量。在這兩種用途中，通常都要求有一個高的精度，并對目標的未來位置做精確地預(yù)測。最早使用跟蹤雷達的是火炮控制。它測量目標的方位、仰角和距離，并根據(jù)這些參數(shù)的變化率算出目標的速度矢量，以預(yù)測其未來的位置。用此信息指出射擊的正確方向并設(shè)定引信時間。目前跟蹤雷達在為導(dǎo)彈提供制導(dǎo)信息和控制指令時起著類似的作用。在靶場測量時，可用跟蹤雷達的輸出來測量導(dǎo)彈的軌跡并預(yù)測其未來位置。在導(dǎo)彈飛行過程中，可以用跟蹤雷達不斷計算導(dǎo)彈的彈著點，這對靶場安全也是很重要的。導(dǎo)彈靶場測量雷達通常用信標提供一個高信噪比的點源目標。某些此類雷達系統(tǒng)的角精度能達0.1mil（密位），距離精度達5yd。本章將敘述圓錐掃描、順序波束轉(zhuǎn)換和單脈沖（比相和比幅）等跟蹤雷達技術(shù)，重點放在比幅單脈沖雷達上。圖18.1 安裝于美國國家航空航天局Wallops島雷達站的AN/FPQ16、C波段單脈沖精確跟蹤雷達其天線直徑為29ft，設(shè)給定的角度精度為0.05mrad（均方根值）。18.2 掃描和波束轉(zhuǎn)換雷達對目標進行角跟蹤的最早方法是，通過快速地把天線波束從天線軸的一邊轉(zhuǎn)換到另一邊來檢測目標相對于天線軸的位置，如圖18.2所示。這種形式的原始跟蹤雷達，如SCR268使用相位可以轉(zhuǎn)換的輻射單元組成的陣列天線，以便提供兩個波束位置用做波束轉(zhuǎn)換。雷達操縱人員觀察一個顯示器，顯示器可并排地顯示出這兩個波束位置時的視頻回波。當目標在軸上時，兩個脈沖的幅度是相等的（如圖18.2（a）所示）；當目標偏離軸線時，兩個脈沖就不相等了（如圖18.2（b）所示）。雷達操縱人員觀察到誤差的存在及其方向就能轉(zhuǎn)動天線以恢復(fù)兩個波束位置之間的平衡。這就提供了一個人工的跟蹤環(huán)路。圖18.2 在一個坐標中通過轉(zhuǎn)換波束位置測量角度偏移（a）目標在天線軸上；（b）目標偏離天線軸這種波束轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展成波束環(huán)繞目標連續(xù)旋轉(zhuǎn)的圓錐掃描跟蹤，如圖18.3所示1。采用角誤差檢測電路產(chǎn)生跟蹤誤差的電壓輸出，其大小與跟蹤誤差成正比，相位或極性取決于誤差的方向。這個誤差信號可推動伺服系統(tǒng)把天線轉(zhuǎn)向適當?shù)姆较蛞允拐`差減少到零為止。天線的饋源做機械運動以獲得連續(xù)的波束掃描，因為當饋源偏離焦點時天線波束也就偏離軸線。典型的情況是饋源環(huán)繞著焦點做圓周運動，使得天線波束環(huán)繞著目標做相應(yīng)的圓周運動。圓錐掃描雷達的典型框圖如圖18.4所示2。圖中含有一個距離跟蹤系統(tǒng)，采用距離波門使雷達接收機僅在預(yù)期會出現(xiàn)跟蹤目標的時刻才接通，這樣在距離上能自動跟住目標。距離波門排除了不需要的目標和噪聲。系統(tǒng)中還含有AGC電路，使角靈敏度（誤差檢波器對每度誤差輸出的電壓伏數(shù)）同回波信號幅度無關(guān)而維持常數(shù)。因而角跟蹤閉環(huán)的增益也是常數(shù)，這是穩(wěn)定角跟蹤所必需的條件。圖18.3 圓錐掃描跟蹤圖18.4 圓錐掃描雷達框圖饋源的掃描運動可以是旋動的，也可以是章動的。旋動饋源在做圓周運動時由于自轉(zhuǎn)而導(dǎo)致極化的旋轉(zhuǎn)。章動饋源在掃描時不使極化面旋轉(zhuǎn)，其運動就像人手做圓圈運動時一樣。雷達視頻輸出脈沖的包絡(luò)中含有角跟蹤誤差信息，如圖18.5所示。調(diào)制百分數(shù)正比于角跟蹤誤差，包絡(luò)函數(shù)相對于波束掃描位置的相位含有方向信息。一對相位檢波器利用從掃描電機送來的參考輸入完成角跟蹤誤差信號的檢測（誤差解調(diào)）。這兩個相位檢波器實質(zhì)上是求點積的器件，它們的正弦波參考信號頻率都是掃描的頻率，而相互間具有一定的相位關(guān)系，以致可從一個相位檢波器獲得仰角誤差，而從另一個相位檢波器獲得方位誤差。例如，可以把掃描的頂點位置定為掃描頻率余弦函數(shù)的零相位點。當目標在天線軸上方時，這就提供了正比于角誤差的正電壓輸出。加到第二個相位檢波器的參考信號和第一個參考信號是相差為90的關(guān)系。這就提供了一個正比于方位角誤差的電壓，其極性對應(yīng)于誤差的方向。圖18.5 雷達視頻輸出脈沖包含的角度跟蹤誤差信號 （a）圓錐掃描雷達接收的含有角誤差信息的脈沖包絡(luò)；（b）由圓錐掃描饋源驅(qū)動器產(chǎn)生的參考信號所有普通仰角-方位跟蹤雷達（即在天線改變方位時轉(zhuǎn)動仰角驅(qū)動系統(tǒng)的雷達）必需要有一個正割校正（如圖18.4所示）。假設(shè)有在靠著雷達的航線上飛行的目標，在離雷達最近的地方，將使方位伺服驅(qū)動在高仰角時比低仰角時轉(zhuǎn)得快。在極端情況下，當目標直接飛過頭頂時，方位驅(qū)動將在目標過頂?shù)乃查g使天線翻轉(zhuǎn)180。其結(jié)果是要求方位跟蹤閉環(huán)的增益近似地按仰角的正割而變化，以便使整個方位閉環(huán)的增益基本上保持常數(shù)。在實際的采用仰角-方位天線座的跟蹤雷達中，由于上述因素，仰角限制在最大到85的范圍內(nèi)，因為更高的仰角需要更寬的伺服帶寬，可能超出了實際可能的范圍。圓錐掃描雷達中的一個重要參數(shù)是掃描圓相對于波束寬度的大小。圖18.6的圓表示在掃描的某一個位置上波束的3dB等值線。半功率波束寬度是qB 。虛線圓表示掃描時波束中心描出的路徑。虛線圓的半徑就是偏置角b。在選擇b 時，必須兼顧交叉點損耗Lk（信號或天線增益的損耗）和角度測量電路中角靈敏度KS的增加。我們希望角靈敏度高，以便從角誤差檢測器中對一定的角誤差獲得更高的電壓，以致能大于接收機輸出中不希望有的電壓。這個不希望有的電壓包含由接收機熱噪聲引起的角誤差。對于一定的信噪比，熱噪聲的作用反比于角靈敏度。不巧的是，加大b 以增加KS時也增加了損耗Lk，這又降低了信噪比。KS和Lk的相對值與究竟目標是提供信標回答信號（它使接收信號消去了發(fā)射時的調(diào)制）還是進行雙程反射式跟蹤有關(guān)。對一定的b 值，雙程跟蹤給出的調(diào)制較深，即角靈敏度較高，但損耗的dB數(shù)加倍。圖18.7是這兩種情況下天線增益損耗和角靈敏度與b 的函數(shù)關(guān)系2。由接收機熱噪聲引起的均方根誤差反比于Ks，正比于Lk的平方根（Lk是功率損耗）。標有的虛線的峰值表明，使接收機熱噪聲對角跟蹤影響最小的最佳偏置角b。但是，雷達的距離跟蹤系統(tǒng)只受Lk的影響。在b 等于零時，距離跟蹤性能最好。因此，為了兼顧到距離跟蹤和角跟蹤兩方面的性能，應(yīng)該選擇b比角跟蹤最佳值小，如圖18.7所示中垂直虛線。圖18.6 圓錐掃描雷達天線波束3dB等值線（實線圓）和波束中心旋轉(zhuǎn)路徑（虛線圈）圖18.7 誤差斜率ks和交叉點損耗Lk在波束掃描的跟蹤雷達中，跟蹤誤差信息取自回波信號幅度的時間起伏。其他原因，如目標閃爍所造成的回波信號幅度起伏會造成跟蹤誤差的錯誤指示，并且這些不希望有的起伏的波動速率大體和掃描速度相等。因為飛機的目標閃爍能量集中在低于約100Hz的低頻范圍內(nèi)（討厭的螺旋槳調(diào)制尤其如此），所以就希望盡可能提高掃描速度。實際可能的最高掃描速度是PRF的1/4，于是4個脈沖就提供了一個完整的掃描，即上、下、左、右各有一個脈沖。最高的PRF或最高掃描速度受限于雷達跟蹤目標的最大距離。在PRF為1 000Hz時，無模糊距離約為80n mile（在此距離上，回波正好是在下次發(fā)射之前到達的）。在此距離之外，雷達需要采用如18.5節(jié)中所述的第n次返回的跟蹤方法才能進行跟蹤。大天線用機械的方法來獲得高速掃描是困難的，因而多采用各種電子掃描技術(shù)。小天線，如導(dǎo)彈尋的頭上的天線可以讓反射面（而不是饋源）傾斜并做高速旋轉(zhuǎn)，用以獲得高速掃描。通常的掃描速度是每分鐘幾百轉(zhuǎn)，而在某些情況下，如AN/APN58目標尋的器，掃描速度高達2 400r/min。在用做目標尋的器時，由于目標是近距離的，因此重復(fù)頻率可以取得比較高。噴氣式飛機的出現(xiàn)給波束轉(zhuǎn)換系統(tǒng)帶來麻煩，因為噴氣渦輪機會產(chǎn)生嚴重的高頻調(diào)制，其頻率已高達實際機械或電子波束轉(zhuǎn)換的最大轉(zhuǎn)換速度的范圍。在波束掃描和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，還有一個問題是對遠距離跟蹤的限制。在遠距離時，雷達信號到達目標和返回所需的時間占了掃描周期的相當大的一部分。例如，設(shè)掃描速度為100Hz、目標在460mile，這時在上波瓣、上發(fā)射的信號將在天線指向下波瓣時作為回波返回，這就抵消了掃描的效果和感測角誤差的能力。在這種影響很嚴重的場合，如果能測到目標距離，則可以加以補償。18.3 單脈沖（同時天線波束轉(zhuǎn)換）波束掃描和轉(zhuǎn)換技術(shù)對回波幅度起伏是很敏感的，這是研制另一種跟蹤雷達的主要理由，能同時提供對角誤差敏感所需的所有波束，在單個脈沖上同時比較各波束的輸出，從而消除了回波幅度隨時間變化的任何影響。這種技術(shù)最初叫做同時多波束轉(zhuǎn)換，描述了其原始設(shè)計思想。后來采用單脈沖這個名詞，指的是能夠在單獨一個脈沖上得到完整的角誤差信號，并已成為這項跟蹤技術(shù)的通用名稱了。最初的單脈沖跟蹤雷達的天線效率低，微波元件復(fù)雜，因為當時波導(dǎo)式的信號合成電路還是一個相當生疏的技術(shù)。但這些問題早已解決，由貨架元件組成的單脈沖雷達在性能上很容易超過波束掃描和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。單脈沖技術(shù)本身就固有一種進行高精度測角的能力，因為它的饋源結(jié)構(gòu)是剛性固定的，沒有活動的部分。這就有可能研制出能夠滿足靶場測量雷達角跟蹤精度達0.003要求的筆狀波束跟蹤雷達。本章主要講述的是跟蹤雷達，但是單脈沖技術(shù)也在其他系統(tǒng)中得到運用。例如，自動尋的裝置、測向及一些搜索雷達，絕大多數(shù)的單脈沖基本原理及局限性也適用于所有的應(yīng)用。更全面的敘述見參考資料3和參考資料4。比幅單脈沖要形象地理解比幅單脈沖接收機作用的一個方法是研究在天線聚焦平面上的回波信號5?；夭ň劢钩梢粋€“斑點”，對圓形孔徑而言，“斑點”的截面是J1(X)/X形狀。此處，J1(X)是一階貝塞爾函數(shù)。當目標處在天線軸線上時，“斑點”位于聚焦平面中心；當目標離開軸線時，“斑點”就離開中心。天線饋源放在焦點上，以使從軸線上目標反射回來的接收能量最大。一個比幅單脈沖饋源設(shè)計成能檢測“斑點”離開聚焦平面中心的任何橫向位移。例如，一個采用四喇叭方形的單脈沖饋源，其中心放在焦點上。它是對稱的，當“斑點”落在中心時四喇叭中的每一個喇叭收到的能量均相等。如果目標離開軸線，就會使“斑點”移動，于是在各喇叭中的能量就會不平衡。雷達通過比較在各個喇叭中激起的回波信號幅度來檢測目標的位移。這是靠采用微波混合電路使兩對喇叭的輸出相減來完成的。只要目標離開軸線，即引起了不平衡，就會有敏感器件給出信號輸出。常規(guī)的四喇叭方形饋源所用的微波電路如圖18.8所示，從右邊一對輸出中減去左邊一對輸出以檢測方位角方向上的任何不平衡，同時從下面一對輸出中減去上面一對輸出以檢測仰角方向上的任何不平衡。圖18.8 四喇叭單脈沖饋源的微波比幅電路如圖18.8所示中的比較器實現(xiàn)了饋源輸出的加減，從而得到了單脈沖的和、差信號。這可以用混合型或魔波導(dǎo)器件說明。它們是四口器件，其基本形式的輸入口和輸出口在位置上是相互垂直的。現(xiàn)已開發(fā)出方便的“折疊”結(jié)構(gòu)的魔波導(dǎo)接頭是非常緊湊的比較器組件。這些器件及其他類似四口器件的性能在參考資料3的第4章中均有描述。相減器的輸出稱為差信號。當目標在軸線上時，差信號為零。當目標偏離軸線的位移增加時，差信號的幅度就會增加。當目標從中心的一邊變到另一邊時，差信號的相位改變180。4個喇叭輸出的總和提供一個參考信號，以便即使目標回波信號在大動態(tài)范圍內(nèi)變化時仍能得到穩(wěn)定的角跟蹤靈敏度（每度誤差的電壓伏數(shù)）。為了保持角跟蹤環(huán)路增益的恒定以達到穩(wěn)定的自動角跟蹤，AGC是必要的。圖18.9是典型的單脈沖雷達的框圖。和信號、仰角差信號、方位差信號采用同一個本振各自變換成中頻（IF），以便在中頻上仍維持相對的相位關(guān)系。將中頻和信號檢波后輸出，變成視頻輸出給測距機。測距機確定所需目標回波的到達時刻，并提供波門脈沖以使部分接收機只在所需期待目標的短暫時間內(nèi)接通。將經(jīng)過波門選通的視頻用來產(chǎn)生正比于或|的AGC直流電壓來控制三路中放通道增益。即使目標回波信號在很大的動態(tài)范圍內(nèi)變化，AGC通過控制增益或除以|也能使角跟蹤靈敏度（每度誤差的電壓伏數(shù)）不變。為了穩(wěn)定自動角跟蹤，必須用AGC保持角跟蹤環(huán)路的增益不變。某些單脈沖系統(tǒng)，如雙通道單脈沖可提供瞬時AGC或歸一化，這將在本節(jié)后面部分敘述。圖18.9 常規(guī)單脈沖跟蹤雷達框圖中頻和信號輸出還給相位檢波器提供一個參考信號，以便相位檢波器從差信號中獲得角跟蹤誤差電壓。相位檢波器本質(zhì)上是一個求點積器件，產(chǎn)生的輸出電壓為 或 （18.1）式中，e為角誤差檢波器輸出電壓；|S|為和信號幅度；|D|為差信號幅度；q 為和、差信號之間的相角。點積誤差檢測器只是參考資料3的第7章中所述的眾多單脈沖角度誤差檢測器的一種。通常，在雷達經(jīng)過正確的調(diào)整之后，q 值不是0就是180。而檢波器的相敏特性的惟一目的就是為了在q = 0時給出正極性，而在q =180時給出負極性，這就使角誤差檢波器的輸出帶有方向指示。在脈沖跟蹤雷達中，角誤差檢波器輸出是雙極性的視頻。也就是說，視頻脈沖的幅度正比于角誤差，而其極性（正、負）對應(yīng)于誤差的方向。這個視頻通過一個矩形波串電路進行處理，使電容器充電到視頻脈沖的峰值電壓，并保持住電荷，直到下一個脈沖到來時電容器才放電，并再次充電到新脈沖的電平。經(jīng)過適當?shù)屯V波得到的直流誤差電壓輸出送給伺服放大器，用以校正天線的位置。三通道比幅單脈沖跟蹤雷達是最常用的單脈沖系統(tǒng)。有時，這3個信號可以用其他方法合并，以便采用雙通道或單通道中頻系統(tǒng)，這點將在本節(jié)后面敘述。單脈沖天線的饋源技術(shù)單脈沖雷達的饋源有多種構(gòu)成形式?？梢杂煤?個或更多個孔徑的饋源來對兩個角度，如方位和仰角進行跟蹤6；也可以用單個孔徑的饋源，但這時要利用高階波導(dǎo)模來提取對角誤差敏感的差信號。設(shè)計饋源時要兼顧許多方面，因為不可能同時滿足和、差信號最佳，副瓣電平又低，具有全極化能力且簡單等要求。所謂簡單，不僅是造價便宜，而且是要用不復(fù)雜的電路提供一個瞄準線穩(wěn)定性好的寬帶系統(tǒng)來滿足精密跟蹤的要求（瞄準線是天線的電軸，即天線波束內(nèi)的某一個角度方向，當信號源放在該角度位置時角誤差檢波器輸出為零）?，F(xiàn)在敘述某些典型的單脈沖饋源，用以說明使各種性能因素最佳所涉及的基本關(guān)系，以及如何用一種饋源結(jié)構(gòu)使較重要的因素最佳而犧牲了其他方面的性能。從最原始的四喇叭方形饋源以來，已經(jīng)出現(xiàn)了許多新的機構(gòu)，其目的是在一個設(shè)計周到的單脈沖雷達所要求達到的全部饋源特性上都具有良好的性能。最原始的四喇叭方形單脈沖饋源效率不高，因為在角度測量平面上對差信號的最佳饋源尺寸大約是對和信號最佳尺寸的2倍7，因而，對差信號與和信號常用一個中間尺寸來兼顧。參考資料3描述了這種