具有閉環(huán)跟蹤的連續(xù)波雷達動態(tài)目標模擬器設計

鐘水和,張 路,周家珍

(解放軍63623部隊,甘肅 酒泉732750)

1 引 言

連續(xù)波雷達的發(fā)射機發(fā)射功率較小,需要在箭上應答機的配合下才能完成目標跟蹤,一般只有在航天任務和戰(zhàn)略任務中安裝應答機,開展任務的針對性訓練較為困難。隨著計算機和微波器件的迅速發(fā)展,雷達目標模擬器[1-5]越來越受到大家的重視。它滿足測控系統(tǒng)的聯(lián)調聯(lián)試[6]、操作人員的針對性訓練[7]和雷達跟蹤性能的測試[8]的需要,節(jié)省了大量的訓練經(jīng)費和測試時間。

動態(tài)目標模擬器是針對于單通道連續(xù)波測速雷達而設計的,它為人員針對性訓練和設備功能檢查提供具有實戰(zhàn)特性的射頻信號。為了準確模擬實戰(zhàn)和測試設備的接收靈敏度、測速精度等,要求動態(tài)目標模擬器能夠模擬目標在飛行過程中不同速度下的多普勒頻率、不同位置下的下行射頻信號的強度以及目標在天線波束內與電軸的相對角度。

2 閉環(huán)跟蹤的實現(xiàn)原理

連續(xù)波雷達的角誤差解調采用單脈沖跟蹤體制,它利用圓波導管的基本模TE11作為和模(基本模),用TM01模作為差模(誤差模),實現(xiàn)同時波瓣制跟蹤。

當目標偏離天線電軸的角度 φ很小時,從天線饋源所激勵的和信號和差信號的表達式如下所示:

其中,ωc為載波信號角頻率,其包含有目標信號的多普勒值fd;η為跟蹤坐標系目標在天線平面的投影與水平軸的夾角;μ為天線歸一化差斜率。

天線饋源所激勵的和信號和經(jīng)sin(Ψ t)調制的差信號被放大,并與本地正交相干載波進行混頻、低通濾波后求出和信號的頻率 ωc,即得到目標的多普勒頻偏。輸出的信號經(jīng)過本地調制信號sin(Ψ t)混頻濾波后得到方位誤差電壓和俯仰誤差電壓。

式中,φ為目標偏離天線波瓣的誤差角度。

接收機得到的方位俯仰誤差電壓送入伺服控制器ACU,經(jīng)校正后送至ADU,由ADU驅動天線,使天線電軸對準目標,完成閉環(huán)跟蹤。

3 動態(tài)目標模擬器的實現(xiàn)

箭載應答機的微波信號經(jīng)天線饋源激勵后產(chǎn)生和信號和差信號(簡稱和差信號),動態(tài)目標模擬器實現(xiàn)了這兩個信號的射頻模擬,近似代替應答機,實現(xiàn)測速和測角等多項性能的檢驗[9]。

和差信號的幅度(A(r))、頻率(fd)和相位(φ,η)均與目標航跡、天線坐標以及電軸的指向密切相關。為明確其相對關系,建立目標跟蹤坐標系。以天線饋源中心作為坐標原點O,饋源口面作為y-z平面,z軸在水平面上,y軸與z軸垂直,x軸過O點,與 y軸、z軸構成右手坐標系,即為饋源波瓣方向。

目標偏離天線饋源波瓣方向Ox的角度為φ,即為射線OM與射線OM″的夾角;目標偏離電軸的距離為 MM″,MM″在y-z平面的投影為OM′,OM′與x軸的夾角為 η,即為射線 OM′與射線OM 的夾角。目標M在跟蹤坐標系中的位置如圖1所示。

圖1 動態(tài)目標M在跟蹤坐標系中的幾何示意圖Fig.1Geometry of the dynamic target in track coordinate

3.1 幅度模擬

連續(xù)波雷達接收應答機下行信號的幅度主要由目標與天線的相對位置決定。應答機的發(fā)射功率和安裝位置、微波信號的大氣吸收、火箭的火焰衰減等均會影響連續(xù)波雷達的接收信號幅度。

根據(jù)目標航跡可以確定某一時刻目標與天線的相對距離R,按照微波信號的自由空間衰減規(guī)律得到衰減值,其中λ為射頻信號波長。即和信號幅度如下所示:

其中,P為設備場放入口處接收電平,G1為箭上應答機的EIRP;G2為接收天線的增益;P1為射頻信號的自由空間衰減;P2為天線極化衰減;P3為大氣吸收;P4為天線饋源到接收機場放入口處的波導饋線衰減;P5為其他引起的信號衰減,即修正系數(shù)。從和差信號公式中可以發(fā)現(xiàn),差信號電平與和信號電平成比例關系,比例系數(shù)為u×φ。由于箭上應答機天線的安裝位置及其方向圖的差異,各站布放地點不同導致同一個時刻各站接收電平出現(xiàn)差異,即上式中的P5,此衰減采用標定的方法來實現(xiàn)。

3.2 多普勒頻率模擬

根據(jù)引導數(shù)據(jù)預知目標M在地心系下的位置、速度(x,y,z,x,y,z)、測站站址(xc,yc,zc),則目標與測站的空間距離R為

令在t、t+Δt、t+2Δt時刻,目標與發(fā)站的距離分別為 RT1、RT2、RT3,目標與測站的距離分別為RR1、RR2、RR3。如圖 2 所示。

圖2 目標多普勒模擬示意圖Fig.2 Sketch map for target Doppler simulation

按照多普勒頻率與徑向速度的比例關系

式中,fd為目標多普勒,fr為接收載波頻率,c為光速,V為目標徑向速度,則得到t+Δt時刻目標多普勒參數(shù)如下所示:

t+2Δt時刻目標多普勒參數(shù)如下所示:

即可得到各時刻點測站的目標多普勒頻偏,實現(xiàn)對動態(tài)目標的速度模擬。

3.3 相位模擬

根據(jù)引導數(shù)據(jù)預知目標M在地心系下的位置、速度(x,y,z,x,y,z)、天線當前方位、俯仰角度A、E和雷達站址(L,B,H)。按照上式中的和差信號公式,只需要信號幅度 A、總誤差角 φ和天線與水平軸夾角η。信號幅度A(r)與目標與測站的距離、箭上應答機的安裝位置和天線的極化衰減等相關,角度誤差 φ和η與天線波瓣方向和目標位置相關。

按照和差信號公式,和差信號的相位主要由目標與天線電軸的角度誤差 φ和η決定。角度誤差φ和η的估計主要涉及到目標地心系理論彈道(x,y,z)旋轉變換至連續(xù)波雷達測站的測量系理論彈道(x0,y0,z0)上,而后再經(jīng)過旋轉變換到測站天線的跟蹤坐標系彈道(x′,y′,z′),而后按照角度誤差的定義得到 φ和η。

測量坐標系是以接收天線回轉中心為坐標原點O,Y軸為過O點的垂線方向,向上為正;X軸為過O點的水平面內指向天文北;Z軸為過O點,與X軸、Y軸成右手直角坐標系。水平面即為X-Z平面。假設某個時刻,目標M在測量坐標系中的位置如圖3所示,M在測量坐標系水平面上的投影為Q,則此時方位角度 A為射線OQ與X軸的夾角,俯仰角度E為射線OM與射線OQ的夾角。

圖3 目標M在測量坐標系中的位置示意圖Fig.3 Sketch map for target in measure coordinate

測量坐標系向跟蹤坐標系的轉換為,測量坐標系繞Y軸順時鐘旋轉A角,而后繞Z軸逆時鐘旋轉E角即為跟蹤坐標系。則測量坐標系中的(x0,y0,z0)向跟蹤坐標系中的(x′,y′,z′)的變換矩陣P 為

在跟蹤坐標系下,假設目標M 的位置為(x′,y′,z′),則目標 M 在天線波瓣方向(即 x軸)的投影MM″的坐標為(x′,0,0),目標M在跟蹤坐標系中y-z平面的投影OM′的坐標為(0,y′,z′),即可得到

由于反正切的輸出角度為-90°～90°,而 φ的角度方位為 0°～ 90°,η的角度方位為 0°～ 360°,按照如下公式需要進行修正:

綜合來看,動態(tài)目標模擬器模擬的射頻信號流程圖如圖4所示。

圖4 模擬信號各參數(shù)產(chǎn)生流程圖Fig.4 Flow chart for the generation of the simulate signal′s parameters

硬件采用研華CPCI工控機,采用2U標準的CPCI板卡結構。

信號處理部分采用美國 TI公司的TMS320C6416,完成射頻和差信號幅度、多普勒頻率和初始相位的計算,其具有600 MHz的內部工作時鐘,能夠滿足200 Hz數(shù)據(jù)流的計算和與監(jiān)控客戶端及對其他處理模塊的數(shù)據(jù)交流要求。采用Xilinx公司的大規(guī)模FPGA芯片XC4VLX100,采用DDS算法(1024點查表)完成射頻和差信號和噪聲信號的產(chǎn)生[10]。其具體的實現(xiàn)方法如圖5所示。

圖5 模擬器原理框圖Fig.5 Principle map for simulator

4 試驗效果評估

選取該連續(xù)波雷達動態(tài)目標模擬器的某次任務聯(lián)試的數(shù)據(jù)進行分析。中心每間隔50 ms將目標的位置和速度送到模擬器,模擬器根據(jù)彈道和天線位置模擬產(chǎn)生下行和差信號,耦合進入連續(xù)波雷達,完成動態(tài)目標的跟蹤訓練。

在整個跟蹤時段內,接收機解調的方位俯仰誤差電壓較小并保持穩(wěn)定,實時驅動天線使其對準虛擬目標,實現(xiàn)閉環(huán)跟蹤。接收機解調的方位俯仰誤差電壓如圖6所示。

圖6 自跟蹤時段內方位俯仰誤差電壓Fig.6 Error unit of AZ and EL in auto tracking

5 結 語

本文設計了適應于連續(xù)波雷達的動態(tài)目標模擬器,實現(xiàn)了具有真實環(huán)境的下行射頻信號產(chǎn)生,信號中包含動態(tài)目標與天線電軸的角度誤差,經(jīng)接收機解調后驅動電機進行人員的閉環(huán)跟蹤訓練。

該動態(tài)目標模擬器已安裝在某型連續(xù)波雷達中,在試驗任務聯(lián)調聯(lián)試、設備功能自動化檢查和人員針對性跟蹤訓練中發(fā)揮了不可替代的作用。

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