基于多波束拋物面天線的高動(dòng)態(tài)目標(biāo)角捕獲?

黃展

基于多波束拋物面天線的高動(dòng)態(tài)目標(biāo)角捕獲?

黃展

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

為了解決臨近空間高動(dòng)態(tài)目標(biāo)的角度引導(dǎo)捕獲問題，提出了基于多波束拋物面天線的高動(dòng)態(tài)目標(biāo)角捕獲方法與基于質(zhì)心求解的目標(biāo)指向成像技術(shù)。對(duì)于系統(tǒng)檢測(cè)概率、檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行了理論分析與仿真驗(yàn)證，指出理論分析結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)存在不一致性。搭建了簡化的中頻測(cè)試平臺(tái)，對(duì)不同信號(hào)形式進(jìn)行了測(cè)角成功概率的測(cè)試，為遙外測(cè)綜合測(cè)控自跟蹤系統(tǒng)的建設(shè)提供了技術(shù)支撐。

臨近空間；測(cè)控系統(tǒng)；多波束拋物面天線；高動(dòng)態(tài)目標(biāo)；角捕獲

1 引言

為削弱等離子鞘套效應(yīng)帶來的測(cè)控信號(hào)衰減影響，臨近空間飛行器測(cè)控系統(tǒng)采用Ka頻段完成測(cè)控任務(wù)。該頻段天線與S頻段或C頻段相同口徑的天線相比，波束寬度較窄，在低軌道高速飛行、角速度與角加速度較高的情況下，目標(biāo)信號(hào)在天線主波束半功率內(nèi)的駐留時(shí)間很短。因此，如何快速、準(zhǔn)確、有效地完成目標(biāo)角引導(dǎo)與捕獲，是實(shí)現(xiàn)臨近空間高速飛行器測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

利用共座小天線引導(dǎo)的傳統(tǒng)角捕獲方法在相互對(duì)立半功率角寬度和天線增益兩方面難以合理協(xié)調(diào)，而多波束拋物面天線技術(shù)可以通過在天線焦平面布設(shè)若干饋源，能夠以較高增益的多個(gè)波束覆蓋較大的空域范圍，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)在覆蓋空域內(nèi)的快速檢測(cè)，完成目標(biāo)的方位、俯仰角測(cè)量，進(jìn)而實(shí)施對(duì)主跟蹤天線的角引導(dǎo)。

在基于多波束拋物面天線角捕獲方案設(shè)計(jì)方面，國外在20世紀(jì)70年代就對(duì)單脈沖雷達(dá)的多波束測(cè)角技術(shù)的相關(guān)理論展開研究，然而其研究信號(hào)形式是雷達(dá)回波脈沖［1，2］。美國國家航空航天局（NASA）在2002年對(duì)金石（Goldstone）的70 m深空站裝配了Ka頻段的焦平面陣列饋源，利用內(nèi)插最小均方與自適應(yīng)徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)算法，使得70m天線保證較高的測(cè)角精度［3］。然而，深空目標(biāo)與臨近空間目標(biāo)在動(dòng)態(tài)特性方面存在顯著不同。經(jīng)典的空間譜估計(jì)及其衍生子空間類算法測(cè)向具有高精度、多目標(biāo)超分辨等優(yōu)點(diǎn)［4，5］。然而，空間譜估計(jì)模型建立基于全向陣列（均勻或非均勻），應(yīng)用于臨近空間測(cè)控，無法保證增益。天線模型的不同，使得空間譜估計(jì)的研究成果難以應(yīng)用到臨近空間測(cè)控系統(tǒng)快速角捕獲研究。目前，在臨近空間領(lǐng)域，國內(nèi)尚未有饋源多波束技術(shù)在Ka頻段快速角捕獲方面的理論研究成果與工程經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。

本文對(duì)Ka頻段饋源多波束技術(shù)和目標(biāo)指向成像技術(shù)展開研究，提出臨近空間高動(dòng)態(tài)飛行器測(cè)控快速角度引導(dǎo)方案，并分別給出目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)概率與測(cè)角成功概率理論分析、仿真與測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后給出結(jié)論。

2 角捕獲方案設(shè)計(jì)

拋物面天線饋源陣列的設(shè)計(jì)可以分為逐點(diǎn)掃描、一維串行掃描和二維并行掃描3種方案，從縮短角捕獲時(shí)間的角度考慮，在此以m×m二維并行掃描作為研究對(duì)象。二維并行掃描角引導(dǎo)處理流程如圖1所示。

各通道的中頻信號(hào)處理部分采用了平方檢波積分時(shí)間內(nèi)能量檢測(cè)的方法，其處理過程如圖2所示。

當(dāng)各通道完成積分時(shí)間內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的能量積分后，利用質(zhì)心求解算法可以得到目標(biāo)俯仰、方位角度的指向值，完成角估計(jì)計(jì)算。其求解計(jì)算公式為

式中，X、Y分別表示求解得到相對(duì)饋源陣列中心的角度，Gi（θ）表示第i個(gè)通道的平方檢波積分值，xi、yi分別表示饋源波束主軸水平、垂直方向的相對(duì)位置值，N表示噪聲通道的平方檢波積分值。

目標(biāo)指向成像技術(shù)是各波束對(duì)應(yīng)通道內(nèi)積分得到的能量進(jìn)行像素化，并在顯控界面上顯示，以20 Hz的刷新率更新成像，可實(shí)現(xiàn)以下兩方面功能:信號(hào)到達(dá)時(shí)間（TOA）與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的人工分析；角跟蹤主接收機(jī)丟失目標(biāo)時(shí)，人工判斷手動(dòng)角度引導(dǎo)。圖3給出了目標(biāo)成像示意圖，其中（b）中心波束中的黑色素點(diǎn)表示質(zhì)心求解后得到的引導(dǎo)角度。

3 目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)概率分析

如圖2所示，假定中頻輸入為均值為0、方差為σ2的平穩(wěn)高斯噪聲n（t），則E點(diǎn)累加器輸出服從n個(gè)自由度的χ2分布，其中，n為累加器累加點(diǎn)數(shù)數(shù)量。由特征值與矩的關(guān)系，可求得n個(gè)自由度的χ2變量的均值為n，方差為2n。假定中頻輸入為單載波（幅度為a）加噪聲信號(hào)，則累加器輸出為n個(gè)自由度的非中心χ2分布。由特征值與矩的關(guān)系［6］，可求得n個(gè)自由度的非中心χ2變量的均值為λ+n，方差為4λ+2n，其中，非中心參量λ=na2／σ2。

理論分析的假設(shè)基礎(chǔ)有兩點(diǎn):輸入噪聲信號(hào)是帶通型限帶白噪聲；累加前對(duì)平方率檢波器的輸出進(jìn)行獨(dú)立采樣，采樣值相互獨(dú)立。然而，在實(shí)際系統(tǒng)中，這兩點(diǎn)假設(shè)基礎(chǔ)都難以滿足。首先，中頻帶通濾波器不具有理想的矩形特性，通過實(shí)際帶通濾波器的噪聲從概率分布角度仍具有高斯分布特性，但在頻譜特性方面變?yōu)樯肼暎黄浯危瑸榱藵M足檢測(cè)時(shí)間需求，進(jìn)入累加器的平方數(shù)據(jù)是順序貫入累加器，并沒有在足夠大的時(shí)間間隔下進(jìn)行取樣，平方數(shù)據(jù)之間不具有獨(dú)立性。因此，在實(shí)際系統(tǒng)的概率密度函數(shù)必然與理論分析的概率密度函數(shù)存在差異。在此，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)一定檢測(cè)時(shí)間下的檢測(cè)概率分布進(jìn)行了仿真分析。圖4給出了分析與仿真得到的數(shù)值概率分布。圖4（a）中，n=4 000，σ=1，a=1.414；圖4（b）中，全局采樣率為60 Msample／s，隨機(jī)變量Vn和Vs樣本數(shù)量分別為2 000，中頻載波頻率為70 MHz，中頻帶通濾波器帶寬為2 MHz，過渡帶寬0.8 MHz，阻帶衰減50 dB，通帶波紋小于±0.3 dB。

由圖4可知，仿真得到的隨機(jī)變量均值與理論分析值相當(dāng)，而方差明顯大于理論分析值。因此，實(shí)際系統(tǒng)中，要在某一確定信噪比條件下獲得與理論分析相同的檢測(cè)概率和虛警概率，需要增加更多的積分累加時(shí)間。表1給出了目標(biāo)信號(hào)為單載波和PCM-FM（10 Mbit／s）信號(hào)檢測(cè)概率達(dá)到99%所需的積分處理時(shí)間仿真結(jié)果（中頻頻率70 MHz，全局采樣率60 Msample／s，中頻帶通濾波器帶寬2 MHz）。

4 測(cè)角成功概率測(cè)試

由于實(shí)際系統(tǒng)積分?jǐn)?shù)值的概率分布難以利用顯式公式表達(dá)，通過質(zhì)心求解映射角度運(yùn)算后的概率分布也很難通過公式表達(dá)，因此，測(cè)角成功概率是在簡化中頻處理平臺(tái)上通過測(cè)試手段得到的，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5所示，多通道數(shù)據(jù)通過分時(shí)操作獲取。

以單載波信號(hào)為例，設(shè)定入射角度為4個(gè)波束跨接點(diǎn)處，圖6給出了接收板處理得到的積分值（1 000次）置入Matlab后質(zhì)心求解像素化后的目標(biāo)角度成像圖。

表2給出了在指定信噪比與積分時(shí)間條件下，質(zhì)心求解得到的估計(jì)值與設(shè)定的入射角度值之間的誤差。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以得到以下結(jié)論:

（1）單載波50 dBHz、PCM-FM（2 Mbit／s）60 dBHz、PCM-FM（10 Mbit／s）65 dBHz三種形式信號(hào)在積分時(shí)間10ms條件下，均可以滿足目標(biāo)信號(hào)入射角估計(jì)值最大誤差在0.1°以內(nèi)，并能滿足測(cè)角成功概率在99%以上；

（2）相同S／Φ條件下，不同信號(hào)形式目標(biāo)入射角度估計(jì)性能:單載波優(yōu)于PCM-FM（2 Mbit／s）和PCM-FM（10 Mbit／s）；

（3）在低信噪比條件下，若進(jìn)一步增加積分時(shí)間（由10ms延長至100ms），由于存在系統(tǒng)通道不一致性（主要由接收機(jī)中頻濾波器與放大器的不一致性引入），角度估計(jì)性能幾乎沒有提升；

（4）九通道質(zhì)心求解算法屬于有偏估計(jì)，因此，不能使得估計(jì)值滿足均值為0的統(tǒng)計(jì)特性。

5 結(jié)論

為了解決臨近空間高動(dòng)態(tài)目標(biāo)的角度引導(dǎo)捕獲問題，本文提出了基于多波束拋物面天線的高動(dòng)態(tài)目標(biāo)角捕獲方法與基于質(zhì)心求解的目標(biāo)指向成像技術(shù)。通過仿真分析得到不同信號(hào)形式檢測(cè)概率所需要的積分處理時(shí)間；搭建了簡化的中頻信號(hào)處理平臺(tái)，進(jìn)行了測(cè)角成功概率的有效測(cè)試，為遙外測(cè)綜合測(cè)控自跟蹤系統(tǒng)的建設(shè)提供技術(shù)支撐。由于研究條件所限，本文僅從入射信號(hào)信噪比角度考慮測(cè)角的隨機(jī)誤差，而結(jié)合多波束天線系統(tǒng)誤差以及目標(biāo)動(dòng)態(tài)相對(duì)滯后的補(bǔ)償精度對(duì)于跟蹤系統(tǒng)引導(dǎo)概率的影響，還需要在未來的研究中進(jìn)一步深入探討。

［1］Easton N J.A Ka-band Monopulse Radar Using Focal Plane Array Technology［C］／／Proceedings of the 20th European Microwave Conference.Budapest，Hungary:IEEE，1990:874-880.

［2］Mosca E.Angel Estimation in Amplitude Comparison Monopulse Systems［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1969，AES-5（2）:205-212.

［3］Volnrotter V，Britcliffe M，Hoppe D.Focal Plane Array Receiver for Deep-Space Communication［C］／／Proceedings of 2008 IEEE International Conference on Aerospace.Big Sky，MT:IEEE，2008:1-10.

［4］陳輝，王永良.空間譜估計(jì)算法結(jié)構(gòu)與仿真分析［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2001，23（8）:76-79.

CHEN Hui，WANG Yong-liang.The Frame of Spatial Spectrum and Simulation［J］.Systems Engineering and Electronics，2001，23（8）:76-79.（in Chinese）

［5］Krim H，Viberg M.Two Decades of Array Signal Processing Research［J］.IEEE Signal Processing Magazine，1996（7）: 67-94.

［6］趙淑清，鄭薇.隨機(jī)信號(hào)分析［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001:139-153.

ZHAO Shu-qing，ZHENGWei.Random Signal Processing［M］.Harbin:Harbin Institute of Technology Press，2001: 139-153.（in Chinese）

［7］施滸立.多波束拋物面天線設(shè)計(jì)的若干問題［J］.微波學(xué)報(bào)，2001，17（3）:81-86.

SHIHu-li.Some Problems with the Design of Multiple-Beam Parabolic Antenna［J］.Journal ofMicrowaves，2001，17（3）:81-86.（in Chinese）

［8］顧敏劍.多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)精度分析［J］.艦船電子對(duì)抗，2007，30（3）:70-73.

GUMin-jian.Accuracy Analysis on Multi-beam Amplitude comparison Direction Finding System［J］.Shipboard Electronic Countermeasure，2007，30（3）:70-73.（in Chinese）

［9］Ashley F，Engdahl C，Sunnergren P.On Radar Detection and Direction Finding using Sparse Arrays［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2007，43（4）: 1319-1333.

［10］Rink C，Ngo H，Covington R，et al.Development of Reprogrammable High Frame-Rate Detector Devices for Laser Communication Pointing，Acquisition and Tracking［C］／／Proceedings of IEEE Aerospace Conference.Big Sky，MT: IEEE，2008:1-7.

Angle Acquisition of Dynastic Target Using M ulti-beam Parabolic Antenna

HUANG Zhan
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

To solve the problem of high dynamic target angle guiding and acquisition in near space，amethod based on multi-beam parabolic antenna is proposed as well as pointing image technique based on barycenter solver.According to the analysis and simulation of detection probability and time consumption，it is pointed out that the theoretical result doesn′t coincide with the practical.A simplified IF test platform is set up，on which guiding success probability is tested for different kinds ofmodulation.The research supports the construction of TT＆C tracking sub-system.

near space；TT＆C system；multi-beam parabolic antenna；high dynamic target；angle acquisition

the Ph.D.degree from Harbin Institute of Technology in 2009.He is now an engineer.His research interests include spacecraft TT＆C and broadband satellite networks.Email:robbiehwang＠yahoo.com.cn

1001-893X（2011）12-0004-05

2011-06-30；

2011-10-18

TN929

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.12.002

黃展（1981—），男，山東青島人，2009年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)楹教炱鳒y(cè)控通信技術(shù)與寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

HUANG Zhan was born in Qingdao，Shandong Province，in 1981.He