经典雷达资料-第18章 跟踪雷达-6.doc

706第18章 跟 踪 雷 达18.11 误差源汇总角度测量误差角度测量误差来源的清单见表18.2，除了与雷达相关的来源外，还包括一些应当考虑的其他误差源。图18.40是AN/FPS16雷达跟踪一个6in的金属球时测得的跟踪性能的例子。该金属球提供了一个点源目标以消除由目标引起的误差。这些数据显示了不同区域的主要误差源及其特性与距离的关系。在第18.8节中讨论的由目标引起的误差包括了目标处在雷达3dB波瓣宽度内的常见跟踪情况。但是，像飞机编队这样的大目标可能扩展到天线方向图的线性角误差区域之外，并最终达到可分辨飞机的程度。图18.41显示了对大目标的角跟踪误差。如图18.41（a）所示中可见到典型的高斯闪烁误差分布。当飞机之间的间隔变宽时，跟踪误差分布的形状发生变化。若飞机之间的间隔如图18.41（b）所示时，则分布接近矩形。如果间隔更宽，飞机几乎可被分辨（如图18.41（c）所示），那么雷达将会跟踪一个飞机直到它消失和另一个飞机回波变大为止后雷达跟踪点再移到另一架飞机上。对每个目标的跟踪将在两个目标之间随机切换，从而产生双峰状的误差分布。表18.2 角误差分量一览表（摘自R.S.Berkowitz（ed.）,1965,第七章618页）分 量固 定 误 差噪 声 误 差雷达引起的跟踪误差（天线指向对目标方向的偏差）瞄准轴的平行校正电轴漂移由下列因素引起:1. 射频和中频调谐；2. 接收机相移；3. 目标振幅；4. 温度。风过载天线不平衡伺服不平衡接收机热噪声多路径（仅对仰角）阵风伺服电噪声伺服机械噪声雷达引起的转换误差（在把天线位置转换成角坐标时引起的误差）基座的水平调整正北的对准 基座和天线的静态弯曲各轴间的正交性太阳加热基座和天线的动态偏差 轴承的颤动数据齿轮的非线性和回差数据提取的非线性和量化目标引起的跟踪误差动态滞后角闪烁动态滞后的变化幅度起伏信标调制传播误差对流层的平均折射电离层的平均折射对流层折射的不规则性电离层折射的不规则性视角误差或仪器误差（相对于光学基准）望远镜或基准仪的稳定性胶片乳胶和基座的稳定性光学视差望远镜、照相机或基准仪振动胶片输送时的跳动 读数误差量化误差 光学视差的变化图18.40 一装在气球内以减小目标运动（其均方根值估计为1.5in）的6in金属球相对于距离的方位跟踪噪声（bn为伺服带宽）图18.41 跟踪两个目标时，雷达指向角的概率分布（其中左边的目标比右边的目标大1.5dB左右）距离测量误差目标距离测量误差的主要来源在如表18.3所示中绘出。精密跟踪雷达典型的偏移和噪声误差总均方根值是5ft。详细说明见参考资料2中的10.3节。表18.3 距离误差分量一览表（摘自R.S.Berkowitz（ed.）,1965,第七章622页）分 量固定误差噪 声雷达引起的跟踪误差零距离装定距离鉴别器漂移伺服不平衡接收机延迟接收机热噪声多路径伺服电噪声伺服机械噪声接收机延迟的变化雷达引起的转换误差距离振荡器频率数据提取的零点装定距离分解器误差内部颤动数据齿轮的非线性和回差数据提取的非线性和量化距离振荡器不稳定 续表分 量固定误差噪 声目标引起的跟踪误差动态滞后信标延迟动态滞后闪烁起伏信标信号的不稳定传播误差平均对流层折射平均电离层折射对流层折射的不规则性电离层折射的不规则性18.12 误差减小技术多路径误差的减小如18.9节所述，高度非常低的目标将产生严重的仰角角跟踪误差，这将产生无用的仰角跟踪数据，并有可能引起目标跟踪的丢失。已经开发了许多方法来减小这些误差或降低这些误差对雷达跟踪的影响6065。避免高度跟踪丢失的简单方法是打开高度跟踪伺服环路，并把天线波束置于水平面以上约半个波束宽度324，方位闭环跟踪可以继续使用。虽然高度角误差检测器的输出有很大的误差，但对它进行观察仍可以发现目标是否穿过波束向上运动。目标穿过波束上升将会产生一个正的角跟踪误差指示，闭环的仰角跟踪即可恢复。减小多路径误差的一个非常有效而又直接的方法是使用一个很窄的波束，这通常是通过把常用的微波跟踪孔径尺寸工作在很短波长（如波长为8mm的35GHz或Ka波段）的区域来实现29306162。这种方法能通过两种效应来减小误差。第一，如图18.38所示，多路径误差变得明显的角度范围和波束宽度成正比，因此窄波束减小了多路径区域的高度且仰角多路径误差值的减小直接和波束宽度成比例。采用较短波长的第二个优点是，即使相对平滑的海表面（例如海表面状态1）也会出现几个波长的浪高表现出粗糙，从而导致反射系数变小66。从如图18.38所示可看出，多距离误差是很小的。如18.6节所述，8mm波长的单脉冲性能可以与微波波段的低端有效地结合，从而可利用两种波段的互补特性。有几种低角度目标跟踪技术改进了微波单脉冲系统以减小多路径误差。其一是复合显示角技术，它虽然使用传统的单脉冲天线，但是可提供用于同相及正交单脉冲差信号的接收机以确定目标的高度3。这种技术必须解决模糊性问题，并保持单脉冲和、差信号的相参性以提供高精度目标仰角。然而，在实际的多路径情况下，除非用非常长的波长系统及在平坦的、相对光滑的海表面情况下，否则很难保持相参性。其他几种技术均使用了附加的天线馈源孔径或等效的方法来解决目标仰角问题。传统的单脉冲馈源对每个角度轴比较两个孔径，它仅能测量相位波前的倾斜度。附加的孔径提供相位波前的曲率信息，从而能导出目标及其镜像的位置6465。有些系统进行信号的自适应处理，从而在目标及其镜像上有效控制跟踪方向图的零点。一般情况下，使用附加孔径技术能明显地减小多路径误差，但在严重的多路径情况下，均方根仰角误差的最小值被限制为波束宽度的0.10.2倍。目标角度与距离闪烁的减小目标引起的角度误差和距离误差能通过滤波（例如，减小跟踪伺服系统带宽）减小。但必须保持足够的伺服系统带宽以跟踪目标弹道。遗憾的是，当工作在微波波段时，目标角度和距离闪烁功率密度通常集中在低于12Hz处，而且落在正常所需要的伺服带宽范围内。目标闪烁总噪声功率和频率是相对独立的，但是随着波长的减小，频谱能量在频率上倾向于向上扩伸，导致伺服通带内噪声功率密度较低。因此，工作波长越短，目标噪声对闭环跟踪的影响越小。能够提供统计独立目标闪烁样本值的分集技术可减小目标闪烁的影响。最实际的方法是改变脉冲间射频频率的频率分集，它将改变来自目标主要反射面的回波间的相位关系6769。频率变化量必须足以使反射体的相对相位有足够大的变化，从而在每个新频率都能产生统计独立的目标闪烁样本值。一个近似的规则是最小频率变化应达1/t。t为在目标的前沿和后沿间雷达距离的延迟时间。角度和距离上目标闪烁的均方根值大约按减少。其中，n为频率跃变数。另一种减小目标闪烁的方法是使用足以分辨目标主要反射表面的高距离分辨力技术（见18.6节）27。例如，如果能分辨目标反射体，并能在误差检测器的输出端在角度和距离上分别对其进行测量，那么就可对所得到的视频进行积累而得到一个低闪烁的重心，或者对最接近的反射体进行精确的前沿跟踪。图18.27展示了用3ns脉冲宽度的雷达进行测量时距离闪烁减小的情况。同时，图18.28显示了用3ns脉冲宽度的雷达对一架超星座飞机（Super-constellation）进行跟踪时测得的单脉冲的和、差视频信号，并可见到被分开的从已分辨的目标反射体来的视频脉冲。内部误差的减小由接收机热噪声和目标闪烁引起的角误差都可通过使目标与跟踪轴尽可能保持接近而减至最小，如18.6节所述。这种称为“同轴”的技术通过在跟踪环路中放置一个计算机，使滞后最小化，并提供最佳的角误差滤波。精确的系统校准也大大地减小了内部误差源。经常校准也可减小元件增益、相位及转台结构的漂移。其他已知其特性的内部误差源可进行自动校正以便使其对输出数据的污染最小14。参 考 资 料1 Skolnik, M.I.: “Introduction to Radar Systems,”2d ed .,McGraw-Hill Book Company,New York, 1980.2 Barton ,D.L.: “Radar Systems Analysis,”Artech House, Norwood,Mass.,1977.3 Sherman ,S.M.:Monopulse Principles and Techniques,”Artech House, Norwood,Mass.,1986.4 Leonov,A.I.,and K.I.Formichev: “Monopulse Radar,”Artech House, Norwocd, Mass., 1986.5 Dunn,J.H.,and D. 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