经典雷达资料-第18章 跟踪雷达-1.doc

709第18章 跟 踪 雷 达第18章 跟 踪 雷 达Dean D. Howard18.1 引言典型的跟踪雷达可发射笔形波束，以接收单个目标的回波，并跟踪目标的方位、距离或/和多普勒频率。其分辨单元由天线波束宽度、发射脉冲宽度及多普勒频带宽度决定。分辨单元与搜索雷达的分辨单元相比通常很小，用来排除来自于其他目标、杂波及干扰等不需要的回波信号。电子波束扫描相控阵跟踪雷达可以通过顺序驻留测量每个目标而跟踪多个目标，同时排除其他回波或信号源。由于跟踪雷达波束窄，通常是几分之一度至1或2，因此它常常依赖于搜索雷达或其他目标定位源的信息来捕获目标，即在开始跟踪之前，将它的波束对准目标或置于目标附近。在锁定目标或闭合跟踪环之前，波束可能需要在有限的角度区域内扫描，以便将目标捕获在波束之内，并使距离跟踪波门位于回波脉冲的中心。跟踪雷达由波束指向的角度和距离跟踪波门的位置来决定目标位置，其角度定位由从天线跟踪轴上的同步机或编码器数据获得（或是从电子扫描相控阵雷达的波束指向计算机数据获得）。在某些情况下，跟踪滞后是通过把来自跟踪环的跟踪滞后误差电压转换成角度单位来度量的。为了实时校正跟踪滞后误差，通常把这个数据加到角度轴位置数据之上或从角度轴位置数据中减去此数据。跟踪雷达系统的种类很多，其中有的能同时完成监视和跟踪两种作用。本章将详细讨论的是一种得到广泛应用的陆基跟踪系统。它有一个安装在旋转平台上的笔形波束天线，方位和仰角位置由电机驱动来跟踪一个目标（如图18.1所示），通过检测回波波前的到达角而确定指向误差，并用以校正天线位置以保持目标处于波束中心。跟踪雷达主要应用于武器控制和导弹靶场测量。在这两种用途中，通常都要求有一个高的精度，并对目标的未来位置做精确地预测。最早使用跟踪雷达的是火炮控制。它测量目标的方位、仰角和距离，并根据这些参数的变化率算出目标的速度矢量，以预测其未来的位置。用此信息指出射击的正确方向并设定引信时间。目前跟踪雷达在为导弹提供制导信息和控制指令时起着类似的作用。在靶场测量时，可用跟踪雷达的输出来测量导弹的轨迹并预测其未来位置。在导弹飞行过程中，可以用跟踪雷达不断计算导弹的弹着点，这对靶场安全也是很重要的。导弹靶场测量雷达通常用信标提供一个高信噪比的点源目标。某些此类雷达系统的角精度能达0.1mil（密位），距离精度达5yd。本章将叙述圆锥扫描、顺序波束转换和单脉冲（比相和比幅）等跟踪雷达技术，重点放在比幅单脉冲雷达上。图18.1 安装于美国国家航空航天局Wallops岛雷达站的AN/FPQ16、C波段单脉冲精确跟踪雷达其天线直径为29ft，设给定的角度精度为0.05mrad（均方根值）。18.2 扫描和波束转换雷达对目标进行角跟踪的最早方法是，通过快速地把天线波束从天线轴的一边转换到另一边来检测目标相对于天线轴的位置，如图18.2所示。这种形式的原始跟踪雷达，如SCR268使用相位可以转换的辐射单元组成的阵列天线，以便提供两个波束位置用做波束转换。雷达操纵人员观察一个显示器，显示器可并排地显示出这两个波束位置时的视频回波。当目标在轴上时，两个脉冲的幅度是相等的（如图18.2（a）所示）；当目标偏离轴线时，两个脉冲就不相等了（如图18.2（b）所示）。雷达操纵人员观察到误差的存在及其方向就能转动天线以恢复两个波束位置之间的平衡。这就提供了一个人工的跟踪环路。图18.2 在一个坐标中通过转换波束位置测量角度偏移（a）目标在天线轴上；（b）目标偏离天线轴这种波束转换技术发展成波束环绕目标连续旋转的圆锥扫描跟踪，如图18.3所示1。采用角误差检测电路产生跟踪误差的电压输出，其大小与跟踪误差成正比，相位或极性取决于误差的方向。这个误差信号可推动伺服系统把天线转向适当的方向以使误差减少到零为止。天线的馈源做机械运动以获得连续的波束扫描，因为当馈源偏离焦点时天线波束也就偏离轴线。典型的情况是馈源环绕着焦点做圆周运动，使得天线波束环绕着目标做相应的圆周运动。圆锥扫描雷达的典型框图如图18.4所示2。图中含有一个距离跟踪系统，采用距离波门使雷达接收机仅在预期会出现跟踪目标的时刻才接通，这样在距离上能自动跟住目标。距离波门排除了不需要的目标和噪声。系统中还含有AGC电路，使角灵敏度（误差检波器对每度误差输出的电压伏数）同回波信号幅度无关而维持常数。因而角跟踪闭环的增益也是常数，这是稳定角跟踪所必需的条件。图18.3 圆锥扫描跟踪图18.4 圆锥扫描雷达框图馈源的扫描运动可以是旋动的，也可以是章动的。旋动馈源在做圆周运动时由于自转而导致极化的旋转。章动馈源在扫描时不使极化面旋转，其运动就像人手做圆圈运动时一样。雷达视频输出脉冲的包络中含有角跟踪误差信息，如图18.5所示。调制百分数正比于角跟踪误差，包络函数相对于波束扫描位置的相位含有方向信息。一对相位检波器利用从扫描电机送来的参考输入完成角跟踪误差信号的检测（误差解调）。这两个相位检波器实质上是求点积的器件，它们的正弦波参考信号频率都是扫描的频率，而相互间具有一定的相位关系，以致可从一个相位检波器获得仰角误差，而从另一个相位检波器获得方位误差。例如，可以把扫描的顶点位置定为扫描频率余弦函数的零相位点。当目标在天线轴上方时，这就提供了正比于角误差的正电压输出。加到第二个相位检波器的参考信号和第一个参考信号是相差为90的关系。这就提供了一个正比于方位角误差的电压，其极性对应于误差的方向。图18.5 雷达视频输出脉冲包含的角度跟踪误差信号 （a）圆锥扫描雷达接收的含有角误差信息的脉冲包络；（b）由圆锥扫描馈源驱动器产生的参考信号所有普通仰角-方位跟踪雷达（即在天线改变方位时转动仰角驱动系统的雷达）必需要有一个正割校正（如图18.4所示）。假设有在靠着雷达的航线上飞行的目标，在离雷达最近的地方，将使方位伺服驱动在高仰角时比低仰角时转得快。在极端情况下，当目标直接飞过头顶时，方位驱动将在目标过顶的瞬间使天线翻转180。其结果是要求方位跟踪闭环的增益近似地按仰角的正割而变化，以便使整个方位闭环的增益基本上保持常数。在实际的采用仰角-方位天线座的跟踪雷达中，由于上述因素，仰角限制在最大到85的范围内，因为更高的仰角需要更宽的伺服带宽，可能超出了实际可能的范围。圆锥扫描雷达中的一个重要参数是扫描圆相对于波束宽度的大小。图18.6的圆表示在扫描的某一个位置上波束的3dB等值线。半功率波束宽度是qB 。虚线圆表示扫描时波束中心描出的路径。虚线圆的半径就是偏置角b。在选择b 时，必须兼顾交叉点损耗Lk（信号或天线增益的损耗）和角度测量电路中角灵敏度KS的增加。我们希望角灵敏度高，以便从角误差检测器中对一定的角误差获得更高的电压，以致能大于接收机输出中不希望有的电压。这个不希望有的电压包含由接收机热噪声引起的角误差。对于一定的信噪比，热噪声的作用反比于角灵敏度。不巧的是，加大b 以增加KS时也增加了损耗Lk，这又降低了信噪比。KS和Lk的相对值与究竟目标是提供信标回答信号（它使接收信号消去了发射时的调制）还是进行双程反射式跟踪有关。对一定的b 值，双程跟踪给出的调制较深，即角灵敏度较高，但损耗的dB数加倍。图18.7是这两种情况下天线增益损耗和角灵敏度与b 的函数关系2。由接收机热噪声引起的均方根误差反比于Ks，正比于Lk的平方根（Lk是功率损耗）。标有的虚线的峰值表明，使接收机热噪声对角跟踪影响最小的最佳偏置角b。但是，雷达的距离跟踪系统只受Lk的影响。在b 等于零时，距离跟踪性能最好。因此，为了兼顾到距离跟踪和角跟踪两方面的性能，应该选择b比角跟踪最佳值小，如图18.7所示中垂直虚线。图18.6 圆锥扫描雷达天线波束3dB等值线（实线圆）和波束中心旋转路径（虚线圈）图18.7 误差斜率ks和交叉点损耗Lk在波束扫描的跟踪雷达中，跟踪误差信息取自回波信号幅度的时间起伏。其他原因，如目标闪烁所造成的回波信号幅度起伏会造成跟踪误差的错误指示，并且这些不希望有的起伏的波动速率大体和扫描速度相等。因为飞机的目标闪烁能量集中在低于约100Hz的低频范围内（讨厌的螺旋桨调制尤其如此），所以就希望尽可能提高扫描速度。实际可能的最高扫描速度是PRF的1/4，于是4个脉冲就提供了一个完整的扫描，即上、下、左、右各有一个脉冲。最高的PRF或最高扫描速度受限于雷达跟踪目标的最大距离。在PRF为1 000Hz时，无模糊距离约为80n mile（在此距离上，回波正好是在下次发射之前到达的）。在此距离之外，雷达需要采用如18.5节中所述的第n次返回的跟踪方法才能进行跟踪。大天线用机械的方法来获得高速扫描是困难的，因而多采用各种电子扫描技术。小天线，如导弹寻的头上的天线可以让反射面（而不是馈源）倾斜并做高速旋转，用以获得高速扫描。通常的扫描速度是每分钟几百转，而在某些情况下，如AN/APN58目标寻的器，扫描速度高达2 400r/min。在用做目标寻的器时，由于目标是近距离的，因此重复频率可以取得比较高。喷气式飞机的出现给波束转换系统带来麻烦，因为喷气涡轮机会产生严重的高频调制，其频率已高达实际机械或电子波束转换的最大转换速度的范围。在波束扫描和转换系统中，还有一个问题是对远距离跟踪的限制。在远距离时，雷达信号到达目标和返回所需的时间占了扫描周期的相当大的一部分。例如，设扫描速度为100Hz、目标在460mile，这时在上波瓣、上发射的信号将在天线指向下波瓣时作为回波返回，这就抵消了扫描的效果和感测角误差的能力。在这种影响很严重的场合，如果能测到目标距离，则可以加以补偿。18.3 单脉冲（同时天线波束转换）波束扫描和转换技术对回波幅度起伏是很敏感的，这是研制另一种跟踪雷达的主要理由，能同时提供对角误差敏感所需的所有波束，在单个脉冲上同时比较各波束的输出，从而消除了回波幅度随时间变化的任何影响。这种技术最初叫做同时多波束转换，描述了其原始设计思想。后来采用单脉冲这个名词，指的是能够在单独一个脉冲上得到完整的角误差信号，并已成为这项跟踪技术的通用名称了。最初的单脉冲跟踪雷达的天线效率低，微波元件复杂，因为当时波导式的信号合成电路还是一个相当生疏的技术。但这些问题早已解决，由货架元件组成的单脉冲雷达在性能上很容易超过波束扫描和转换系统。单脉冲技术本身就固有一种进行高精度测角的能力，因为它的馈源结构是刚性固定的，没有活动的部分。这就有可能研制出能够满足靶场测量雷达角跟踪精度达0.003要求的笔状波束跟踪雷达。本章主要讲述的是跟踪雷达，但是单脉冲技术也在其他系统中得到运用。例如，自动寻的装置、测向及一些搜索雷达，绝大多数的单脉冲基本原理及局限性也适用于所有的应用。更全面的叙述见参考资料3和参考资料4。比幅单脉冲要形象地理解比幅单脉冲接收机作用的一个方法是研究在天线聚焦平面上的回波信号5。回波聚焦成一个“斑点”，对圆形孔径而言，“斑点”的截面是J1(X)/X形状。此处，J1(X)是一阶贝塞尔函数。当目标处在天线轴线上时，“斑点”位于聚焦平面中心；当目标离开轴线时，“斑点”就离开中心。天线馈源放在焦点上，以使从轴线上目标反射回来的接收能量最大。一个比幅单脉冲馈源设计成能检测“斑点”离开聚焦平面中心的任何横向位移。例如，一个采用四喇叭方形的单脉冲馈源，其中心放在焦点上。它是对称的，当“斑点”落在中心时四喇叭中的每一个喇叭收到的能量均相等。如果目标离开轴线，就会使“斑点”移动，于是在各喇叭中的能量就会不平衡。雷达通过比较在各个喇叭中激起的回波信号幅度来检测目标的位移。这是靠采用微波混合电路使两对喇叭的输出相减来完成的。只要目标离开轴线，即引起了不平衡，就会有敏感器件给出信号输出。常规的四喇叭方形馈源所用的微波电路如图18.8所示，从右边一对输出中减去左边一对输出以检测方位角方向上的任何不平衡，同时从下面一对输出中减去上面一对输出以检测仰角方向上的任何不平衡。图18.8 四喇叭单脉冲馈源的微波比幅电路如图18.8所示中的比较器实现了馈源输出的加减，从而得到了单脉冲的和、差信号。这可以用混合型或魔波导器件说明。它们是四口器件，其基本形式的输入口和输出口在位置上是相互垂直的。现已开发出方便的“折叠”结构的魔波导接头是非常紧凑的比较器组件。这些器件及其他类似四口器件的性能在参考资料3的第4章中均有描述。相减器的输出称为差信号。当目标在轴线上时，差信号为零。当目标偏离轴线的位移增加时，差信号的幅度就会增加。当目标从中心的一边变到另一边时，差信号的相位改变180。4个喇叭输出的总和提供一个参考信号，以便即使目标回波信号在大动态范围内变化时仍能得到稳定的角跟踪灵敏度（每度误差的电压伏数）。为了保持角跟踪环路增益的恒定以达到稳定的自动角跟踪，AGC是必要的。图18.9是典型的单脉冲雷达的框图。和信号、仰角差信号、方位差信号采用同一个本振各自变换成中频（IF），以便在中频上仍维持相对的相位关系。将中频和信号检波后输出，变成视频输出给测距机。测距机确定所需目标回波的到达时刻，并提供波门脉冲以使部分接收机只在所需期待目标的短暂时间内接通。将经过波门选通的视频用来产生正比于或|的AGC直流电压来控制三路中放通道增益。即使目标回波信号在很大的动态范围内变化，AGC通过控制增益或除以|也能使角跟踪灵敏度（每度误差的电压伏数）不变。为了稳定自动角跟踪，必须用AGC保持角跟踪环路的增益不变。某些单脉冲系统，如双通道单脉冲可提供瞬时AGC或归一化，这将在本节后面部分叙述。图18.9 常规单脉冲跟踪雷达框图中频和信号输出还给相位检波器提供一个参考信号，以便相位检波器从差信号中获得角跟踪误差电压。相位检波器本质上是一个求点积器件，产生的输出电压为 或 （18.1）式中，e为角误差检波器输出电压；|S|为和信号幅度；|D|为差信号幅度；q 为和、差信号之间的相角。点积误差检测器只是参考资料3的第7章中所述的众多单脉冲角度误差检测器的一种。通常，在雷达经过正确的调整之后，q 值不是0就是180。而检波器的相敏特性的惟一目的就是为了在q = 0时给出正极性，而在q =180时给出负极性，这就使角误差检波器的输出带有方向指示。在脉冲跟踪雷达中，角误差检波器输出是双极性的视频。也就是说，视频脉冲的幅度正比于角误差，而其极性（正、负）对应于误差的方向。这个视频通过一个矩形波串电路进行处理，使电容器充电到视频脉冲的峰值电压，并保持住电荷，直到下一个脉冲到来时电容器才放电，并再次充电到新脉冲的电平。经过适当低通滤波得到的直流误差电压输出送给伺服放大器，用以校正天线的位置。三通道比幅单脉冲跟踪雷达是最常用的单脉冲系统。有时，这3个信号可以用其他方法合并，以便采用双通道或单通道中频系统，这点将在本节后面叙述。单脉冲天线的馈源技术单脉冲雷达的馈源有多种构成形式。可以用含有3个或更多个孔径的馈源来对两个角度，如方位和仰角进行跟踪6；也可以用单个孔径的馈源，但这时要利用高阶波导模来提取对角误差敏感的差信号。设计馈源时要兼顾许多方面，因为不可能同时满足和、差信号最佳，副瓣电平又低，具有全极化能力且简单等要求。所谓简单，不仅是造价便宜，而且是要用不复杂的电路提供一个瞄准线稳定性好的宽带系统来满足精密跟踪的要求（瞄准线是天线的电轴，即天线波束内的某一个角度方向，当信号源放在该角度位置时角误差检波器输出为零）。现在叙述某些典型的单脉冲馈源，用以说明使各种性能因素最佳所涉及的基本关系，以及如何用一种馈源结构使较重要的因素最佳而牺牲了其他方面的性能。从最原始的四喇叭方形馈源以来，已经出现了许多新的机构，其目的是在一个设计周到的单脉冲雷达所要求达到的全部馈源特性上都具有良好的性能。最原始的四喇叭方形单脉冲馈源效率不高，因为在角度测量平面上对差信号的最佳馈源尺寸大约是对和信号最佳尺寸的2倍7，因而，对差信号与和信号常用一个中间尺寸来兼顾。参考资料3描述了这种