比相單脈沖跟蹤測角技術研究范文

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《無線電通信技術雜志》2015年第二期

1均勻直線陣比相單脈沖跟蹤測角

基于陣列天線的目標跟蹤測角方法很多，主要可以分為基于來波信號統計各種來波方向估計算法以及和傳統機械天線類似的傳統波束跟蹤算法，前者在特定條件下理論上能夠達到最優，但工程實現穩定性和精度不易保證，后者工作穩定、性能可靠和工程容易實現。類比傳統機械天線，陣列天線跟蹤測角有單脈沖、干涉儀以及極大值等多種方式。傳統航空測控系統經常采用比相單脈沖角跟蹤方式，這方式比較簡單穩定，跟蹤測角精度也能滿足要求，因此針對均勻直線陣而言研究類似的跟蹤測角方法很有意義。均勻直線陣構建比相單脈沖和差波束時首先按照一定的波束指向對整個陣列進行相位加權，在進行波束合成過程中將陣列天線分為對稱的左右子陣，左右子陣波束同相相加就可以形成比相單脈沖和波束，左右子陣波束反相相加就可以形成比相單脈沖差波束。形成和差波束后可以獲取目標偏離波束指向的角誤差信息，通過閉環負反饋系統驅動波束跟蹤目標，實現對目標的跟蹤測角。

1.1比相單脈沖角角誤差信息獲取均勻直線陣比相單脈沖和差波束形成的示意圖如圖2所示。將均勻直線陣按波束指向θ0方向進行加權，將序號為1～N的陣列單元劃分為左子陣，將序號為N＋1～2N的陣列單元劃分為右子陣。因此接收信號方向偏離波束指向不大的情況下：①和差波束相差90°；②歸一化差信號幅度近似與波束指向偏離角成正比；③隨著波束掃描歸一化差斜率逐漸減小。

1.2波束跟蹤環路設計對波束控制環路進行數學建模，所有信號和電路均采用拉普拉斯函數代替，可以得到圖3所示模型。根據上述兩式可知跟蹤性能主要由接收信號入射角函數以及環路濾波器函數決定。因此工程應用中應根據目標運動特性及跟蹤精度的要求合理設計環路濾波器。

1.3空間目標跟蹤測角通過合理設計波束跟蹤環路，可以實現波束對目標的連續跟蹤，在跟蹤良好的情況下波束指向和目標方向之間的誤差很小，因此可以通過觀測和波束直線直接相關的陣列天線相鄰單元之間相位加權差值來獲取空間來波方向信息，實現對跟蹤目標的角度測量。依據上式表述的相鄰單元之間相位權差和空間來波方向關系，可以根據相位權差確定來波方向，也就是目標的角度測量。但同時通過上式也可以看到相鄰單元相位權差不但與來波信號方位角相關，還與俯仰角相關。因此采用一維均勻直線陣跟蹤空間目標時尚需要通過其他方式獲取目標俯仰角觀測量，才能獲取方位角準確信息。在航空測控系統中目標俯仰角信息可以根據距離測量值和高度測量值獲得。

2設計與仿真

2.1應用分析一般情況下目標距離接收設備越近，運動速度越大，相對動角速度越大。假設目標運動軌跡在水平面內投影與接收設備最小距離為R0，以最大速度VM過捷徑，這種情況下的運動軌跡示意如圖5所示。二階積分有源低通濾波器是一種常見環路濾波，采用這種環路濾波器跟蹤階躍和速度信號穩態殘差為零，跟蹤角加速信號穩態角度殘差為恒定值，合理設計環路參數可以保證其穩態殘差很小。

2.2仿真驗證采用二階積分有源低通濾波器跟蹤速度信號穩態殘差為0，跟蹤加速度信號有固定殘差，因此重點分析設計的系統跟蹤加速度信號的情況。在Matlab中建立陣列天線模型，陣列天線單元數位取32，間距波長比取0．5；和差波束成形采用比相單脈沖體制，波束控制環路采用兩階積分有源濾波器，設計b0＝5、b1＝25和b2＝250。設置波束初始指向0°方向，目標在2°方向以30°／s2角加速度運動，波束跟蹤仿真結果如圖6所示。由仿真結果可知大約1．5s后，波束跟蹤進入穩態，其穩態殘差為0．2687°和計算值0．2688°十分接近。

3結束語

相控陣系統相比傳統機械天線伺服系統在跟蹤超高速航空器方面具有一定優勢，采用基于均勻直線陣比相單脈沖跟蹤測角的陣列天線系統比較簡單，在超高速航空器測控領域適合替代目前的一維機械跟蹤天線伺服系統。結合航空測控典型應用條件仿真分析表明，合理設計參數，采用電掃控制的波束能夠跟蹤大動態高速目標，跟蹤角度殘差和理論計算結果十分接近，但要注意采用均勻直線陣跟蹤空間目標測角時需要目標俯仰角觀測量，通過轉換才能獲取準確方位角信息。

作者：馬傳焱單位：中國人民解放軍63961部隊