基于LFMCW雷達的標量脫靶量測量系統

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(中國兵器裝備集團(成都)火控技術中心， 四川成都 611731)

0 引言

導彈脫靶量是指導彈與目標之間的最小距離，代表偏離目標的大小[1]。脫靶量測量包括標量脫靶量測量和矢量脫靶量測量。標量脫靶量是指遭遇過程中彈與靶的最小相對距離，表示彈命中目標的誤差大小，或稱作命中精度，它是衡量武器毀傷效能的重要指標[2-3]。由于標量脫靶量測量系統相對便宜,能夠對很多彈射類武器(如子彈、炮彈和導彈等)進行測量，并且它們幾乎可以安裝在任何尺寸的靶標上，因此目前標量脫靶量測量系統仍然在廣泛使用。

根據雷達體制的不同，目前主要有3種標量脫靶量測量方法：基于多普勒效應、基于沖擊脈沖體制以及基于線性調頻連續波(LFMCW)體制的脫靶量測量方法。文獻[4]采用的基于多普勒效應脫靶量測量方法的優點是電路簡單，但是該方式只能用于點目標測量，在近距離對體目標進行測量時，有多普勒譜擴展效應，造成多普勒頻率測量誤差。文獻[5]所采用的基于沖擊脈沖體制的脫靶量測量方法，雖然從理論上解決了體目標脫靶量測量問題，但是對信號處理采樣率和數據傳輸率提出了很高的要求，系統實現難度較大。

文中設計的標量脫靶量測量系統采用基于LFMCW雷達測距原理的脫靶量測量方法，系統帶寬大、距離測量精度高。但是接收機中頻帶寬小，信號采樣率和數據傳輸速率低，信號處理計算量小，電路簡單。該系統具有電路簡單、成本低、體積小、重量輕、峰值功率低、測量精度高等特點。而且采用一體化、模塊化設計，根據不同任務可裝載于不同的靶標平臺。該系統已形成系列化產品，成功應用于靶彈、靶船和無人機等多個靶標平臺。系統脫靶量測量精度≤1 m，測量范圍為0～60 m，達到國內先進水平，為部隊打靶訓練和科研靶試提供精確的脫靶量信息，具有良好的應用前景。

1 標量脫靶量測量系統設計

1.1 系統組成及測距原理

系統主要由頻綜、發射機、收/發天線、低噪放、接收機、信號處理和數據處理顯控終端等幾部分組成。組成框圖如圖1所示。

頻綜產生射頻激勵信號，其頻率在時間上按三角波規律變化。激勵信號經發射機放大后，通過發射天線轉換成電磁波信號向外發射。電磁波信號遇到目標后，一部分能量被反射回接收天線，接收天線將回波信號轉換為射頻信號(RF)，經低噪放放大后送入接收機。由于回波信號具有一定時間延遲，回波信號延遲后與本振信號就存在一定的頻差，頻差關系如圖2所示[6]。

由圖2可知，正斜率調制時回波信號與本振信號的差頻fi+與目標距離R以及多普勒頻率fd的關系可表示為

(1)

式中，Tm為調制周期，ΔFm為調制頻偏。負斜率調制時回波信號與本振信號的差頻fi-與目標距離R以及多普勒頻率fd的關系可表示為

(2)

將式(1)和式(2)相加，去掉多普勒fd的影響。可將距離R表示為

(3)

接收機對回波信號和本振信號進行混頻、濾波、放大即可得到差頻fi+和fi-，然后根據式(3)即可得到目標距離R。

1.2 信號處理流程

信號處理流程如圖3所示。由上節分析可知，得到差頻信號的頻率即可求出被測目標與雷達的相對距離R。本系統的本振是由激勵信號功分出來的，因此回波信號與本振混頻后得到的差頻信號為零中頻信號。根據系統所選參數以及距離檢測范圍，接收機輸出的零中頻信號頻率范圍為0～2 MHz，信號處理先將中頻信號進行40 MHz AD采樣，將模擬信號轉化為數字信號，并對信號進行數字低通濾波(LPF)，濾波器的頻率響應特性如圖4所示，其主要作用是濾除帶外雜波以及抽取抗混疊。然后對數據進行8倍抽取，將采樣率降為5 MHz。在滿足Nyquist抽樣定律的情況下盡量減小信號處理的計算量。抽樣后選取數據中間信號質量較好的256點進行快速傅里葉變換(FFT)處理，最后進行頻域恒虛警檢測(CFAR)，檢測目標并根據式(3)求出目標與雷達的相對距離R。

1.3 標量脫靶量測量算法

圖5為標量脫靶量測量的參考坐標系，即脫靶量測量示意圖。測量系統位于坐標系原點，導彈以一定偏角和傾角與裝有脫靶量測量系統的靶標進行交匯。設交匯時間內，導彈相對于靶標作勻速直線運動，速度為v0，其運動軌跡與測量系統的最短距離，即脫靶量為ρ。記參考時間t=0時刻導彈與脫靶點的距離為D0，再記任意時刻導彈與測量系統的距離為R(t)。

根據圖5所示的幾何關系，導彈與測量系統的實時距離可表示為

R2(t)=(D0-v0t)2+ρ2

(4)

進一步整理可得

(5)

令導彈第一次被測量到的時刻為參考時間t=0，其余各測量時刻為ti，對應的實時距離為Ri，那么式(5)可表示為

(6)

設

(7)

(8)

(9)

則測量矩陣可表示為

r=A×b

(10)

由上式可求得測量矩陣的最小二乘解為

(11)

1.4 總體結構設計

系統結構主要由電子設備機箱、天線以及相關結構件三個主要部分組成。其中電子設備機箱包括頻綜、接收機、發射機、電源、信號處理等幾部分，是整個脫靶量測量系統的核心部分。

電子設備機箱內的各部分均采用模塊化設計，在調試完成后集中布置在機箱內，在布置過程中盡可能使各部分安排緊湊、合理，在滿足系統使用性能前提下，使電子設計機箱內的空間可以得到充分利用，減輕系統重量縮小空間尺寸，將電子機箱重量控制在2 kg以內；同時，機箱在結構設計過程中還應充分考慮系統電磁屏蔽要求和強度要求。電子機箱結構方案如圖6所示。

天線組合由接收天線、發射天線、低噪放、電纜等幾部分組成。為了貫徹模塊化、通用化要求，設計了一塊結構安裝板，將各部分集成為一個天線組合，形成通用天線模塊，可以根據不同的任務需求采用不同的安裝方式，以減少安裝調試過程中的工作量。天線組合結構方案如圖7所示。

單面天線被設計為90°的波束寬度，根據導彈不同的攻擊方式，可以用4面天線組合通過電子開關進行高速切換，保證對彈目交匯區域的全向覆蓋。由于每面天線的波束指向不同的方向，因此該脫靶量測量系統不但能測量標量脫靶量，還能測大致的脫靶方向。

2 試驗驗證

2015年，該系統在東海某海域進行實彈檢靶試驗。此次試驗裝載于靶船上，用于測量某型反艦導彈的標量脫靶量。為了適應海上使用環境，在脫靶量測量系統下面增加了伺服穩定平臺，以保證雷達波束始終照射海平面。同時將測量系統與穩定平臺密封在天線罩內，防止海上鹽霧的侵蝕。然后用支架裝于靶船甲板上，安裝圖如圖8所示。

脫靶量測量系統裝于船尾，4面天線的波束覆蓋示意圖如圖9所示。天線1監視靶船左舷方向，天線2監視靶船船頭方向，天線3監視靶船右弦方向，天線4監視船尾以外方向。

脫靶量測量系統測到導彈的原始點跡和通過最小二乘法擬合后的導彈脫靶量如圖10所示，圖中虛線內原始點跡為導彈擊中靶船后爆炸產生的碎片。剔除碎片后，標量脫靶量最小二乘解為 19.6 m，速度最小二乘解為1 136 m/s。

脫靶量位于天線2監視的區域，表示偏靶方向為船首方向。而靶船長度約為50 m，根據測量的脫靶量(相對于脫靶量測量系統)和偏靶方向，導彈應擊中靶船中部位置。靶船回岸以后，對靶船進行檢靶，脫靶量測量系統與導彈命中位置如圖11所示。導彈擊中靶船中部位置，而且用皮尺測量脫靶量測量系統與命中位置的實際距離為20 m，測量值與真實值相符，且測量誤差≤1 m。實際偏靶方向(相對于脫靶量測量系統)與系統檢測偏靶方向相同。坐標轉換后可直接轉換為導彈相對于靶船中心的脫靶量。試驗結果表明，該系統切實可行，可用于導彈脫靶量測量。

3 結束語

本文設計了一種基于LFMCW雷達體制的標量脫靶量測量系統，利用回波信號與本振信號之間的差頻對目標進行測距，再通過最小二乘算法求解目標與雷達之間的最小距離，即脫靶量。系統具有成本低、體積小、重量輕、峰值功率低和測量精度高等特點，另外采用一體化、模塊化設計，根據不同任務，可安裝于靶彈、無人機和靶船等多種靶標平臺。該系統裝載于靶船上對某型反艦導彈的脫靶量進行了實彈檢驗，檢驗結果表明，系統方案切實可行，脫靶量測量精度≤1 m，可用于導彈標量脫靶量測量。