一种高速弹载雷达波形设计方法与流程

本发明属于雷达
技术领域：
，涉及采用高重频大带宽的信号体制抑制杂波的方法，具体地说是通过高重频大带宽的方法保证火箭弹完成精确点打击并且有效地提高末制导阶段的抗杂波能力。
背景技术：
：随着科学技术的不断发展，国防要求的不断提高，国防武器的发展也逐步迈进了信息化的时代。火箭弹具有射程远、发射平台简单、杀伤力大、机动性能好等优点，因而成为现代战争中不可或缺的压制性武器。然而常规的火箭弹仅仅具备面打击能力，不能满足远程精确打击火力的要求，所以自上个世纪90年代开始，制导火箭弹技术便迅速的发展起来并投放于军事使用。制导火箭弹在保证射程和杀伤力的同时能够有效的提高打击目标的精确性，为了满足较高精确度的军事需求，如何进一步提高制导火箭的精确性就成为了人们研究的热点问题。为了进一步提高制导火箭的精确性，首先需要分析在制导方向上有哪些因素会对制导火箭的准确性产生影响，娄文忠等人建立了弹头引信空气附面层计算模型，他认为飞行气动热会影响弹头引信的可靠性，因此使用有限元分析的方法，对引信内部不同的材料进行建模分析，通过获取火箭弹的整个飞行弹道的特征建立气流密度层函数以及火箭弹头引信空气附面层的热特性，获得引信表面和内部的温度场特征，此方法有效的提高了制导火箭的精确性。此外在制导方式上也涌现出来了新的想法，阿联酋和美国雷声公司合作研发了半主动激光制导火箭弹，能够通过激光提前锁定目标并且实现高精度的打击，通过激光制导不仅降低了成本提高了准确性，还能减少附带毁伤，很大程度上提高了制导技术的灵活性。打击目标由激光器决定，可以为地面上的目标，也可以是移动的机载目标，这就解决了常规制导中存在的一些局限性，能够在无人机上得以很好的应用。对制导火箭精确性的提高，还可以通过对制导控制系统进行修正来实现，优化已有控制系统的性能，龙腾等人分析了频率步进系统的性能优缺点，进一步提出了调频步进雷达信号的优化模型，这种信号与先前的系统相比，不仅可以保证发射能量和总带宽，还能提高系统的数据率，实现高效而准确的打击；秦永元等人对多管火箭武器系统(mlrs)进行了修正，加装了捷联惯导系统并进行了相应的改进从而形成了一种新的制导火箭弹，修正后的mlrs系统，具有较低成本的同时还很大程度的提高了系统的准确性。通过传递对准的方法，将主惯导的速度和位置对准信息经过误差补偿后用“速度+姿态”的匹配方案传递给子惯导，有效的完成了子惯导系统的初始对准，提高了系统的准确性能，系统的执行时间还非常的小。技术实现要素：本发明的目的在于在上述已有技术的基础上进一步研究制导火箭的精度问题，提出一种高效能、高精度、高数据率的高重频频率步进雷达导引头波形设计的方法。通过毫米波、大带宽、步进频和重高频的技术方法，解决信杂噪比下降、主瓣杂波多普勒谱宽展宽以及弹目之间的高速运动引起越距离单元走动现象，达到增强精确打击的目的。实现本发明目的的技术方案是：首先确定合成带宽、频率步进量的值，通过取值范围的限定给脉冲宽度预设一个初始值，判断脉冲重复频率的取值范围是否为空集，若为空集则返回重新预设脉冲宽度的初始值，若不是空集则进一步确定脉冲累计点数的值。其具体过程包括如下：步骤1，通过距离分辨率δr和信杂比检测门限对合成带宽b进行限制，并且确定合成带宽b的取值。步骤2，给定一个帧内脉冲数值n，采用频域的合成带宽法确定频率步进量δf，此方法下只需考虑关系δf＝(b-b1)/(n-1)，同时，δf＜b1，其中，b1为帧内子脉冲带宽，即当合成带宽b和帧内脉冲数值n、帧内子脉冲带宽b1的取值已知时，δf可唯一确定。步骤3，确定脉冲重复频率prf1的下限以及脉冲宽度t的上限，并且给脉冲宽度t预设一个初值。步骤4，确定脉冲重复频率prf1的取值范围及取值，如果取值范围为空集，说明预设的脉冲宽度t的初值不合理，返回步骤3，重新给脉冲宽度t设置一个初值。步骤5，响应于取值范围不为空集，确定脉冲积累点数n的值：式中pt为发射峰值功率，g为天线增益，λ为雷达信号波长，σt为目标散射截面积，α0为大气衰减系数，rmax为最大作用距离，k为波尔兹曼常数，t0为标准温度，fn为噪声系数，l为系统损耗，br为接收机带宽，snrmin为信噪比检测门限。步骤6，根据最大作用距离、不模糊距离和盲区距离确定上述波形适用的距离范围。本发明与现有技术相比具有以下优点：1.大带宽可以显著提高末制导阶段的径向距离分辨率，从而减小高速火箭弹处理单元内的地、海杂波面积。本发明所使用的步进频合成的大带宽信号能够降低系统对采样率和带宽的要求，在实现与普通方法同样效果的精确度的同时有效的减少了系统的实际工作带宽，以此增强了系统在工程上的可实施性。2.本发明在低成本的合成大带宽基础上采用“高重频”设计，该设计保证了脉冲重复周期不但不超过最大作用距离对应的目标回波时延，还大于雷达主瓣照射区域俯仰波束覆盖距离范围，从而消除了杂波的干扰也提高了不模糊测速范围，并且可以提高数据率，削弱导弹高速运动导致目标越距离单元走动的影响。附图说明图1是本发明的流程图；图2是弹目相对位置示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。参考图1，示出了根据本申请的高速弹载雷达波形设计方法的一个实施例的流程100。所述的高速弹载雷达波形设计方法，包括以下步骤：步骤101，通过距离分辨率和信杂比门限值对合成带宽进行限制，并且确定合成带宽的取值。设雷达最大作用距离为rmax，距离分辨率为δr，光速为c，则合成带宽b首先应满足：由于高速弹大俯冲角条件下的背景杂波急剧增强，信杂比检测门限成为制约最大作用距离的一个主要因素，具体关系如下：式中bmin为所述最大作用距离rmax所需的最小合成带宽，σt为目标散射截面积，β为雷达波束掠海角或擦地角，θ0.5为3db波束宽度，scrmin为信杂比检测门限，γ0为杂波背景反射率，tanβ为β的正切值。由上式可以看出信杂比检测门限决定所述最大作用距离rmax时也对所述合成带宽b做了如下限制，即：步骤102，给定帧内脉冲数值，采用频域的合成带宽法确定频率步进量。给定一个帧内脉冲数值n，采用频域的合成带宽法确定频率步进量δf，此方法下只需考虑关系δf＝(b-b1)/(n-1)，同时δf＜b1，其中，b1为帧内子脉冲带宽，即当合成带宽b、帧内脉冲数n、帧内子脉冲带宽b1的取值已知时，δf可唯一确定。步骤103，确定脉冲重复频率的下限以及脉冲宽度的上限，并且给脉冲宽度预设一个初值。确定脉冲重复频率prf1的下限以及脉冲宽度t的上限，并且给脉冲宽度t预设一个初值。求解主瓣杂波多普勒谱宽δfd，主瓣杂波多普勒谱宽δfd对脉冲重复频率prf1的确定也有一定限制，图2为弹目之间的相对位置关系，即导弹与目标之间的相对位置关系，其中，201表示导弹，202椭圆形圈定的区域表示目标所在的区域。设vm为导弹飞行速度，α为雷达主波束方位角，β为雷达主波束俯冲角，λ为雷达信号波长，则雷达主波束中心多普勒频率fd为：根据上述公式并结合3db波束宽度θ0.5，得到所述主瓣杂波多普勒谱宽δfd为：确定脉冲重复频率prf1的下限以及脉冲宽度t的上限：由于脉冲重复频率prf1和帧重复频率prf2满足关系prf1＝n·prf2。为了满足主瓣杂波不模糊，要求帧重复频率prf2应大于主瓣杂波多普勒谱宽δfd，因此有：prf1＞n·δfd同时考虑到占空比ηmax的要求，即prf1·t＜ηmax，所以：或步骤104，确定脉冲重复频率的取值范围及取值，如果脉冲重复频率取值范围为空集，说明预设的脉冲宽度t的初值不合理，返回步骤103，重新给脉冲宽度t设置一个初值。求解不模糊距离对脉冲重复频率的限制：设雷达感兴趣的距离区间长度为ract其中，ract可由波束覆盖范围确定，脉冲宽度t对应的盲区距离为ct/2。为了避免距离上的折叠问题，工程应用中常要求雷达不模糊距离ru大于感兴趣的距离区间长度与盲区距离之和，即：ru＞ract+ct/2同时要求不模糊距离ru与脉冲重复频率prf1满足如下限制关系：再由prf1＞n·δfd和确定脉冲重复频率prf1的取值范围和取值。步骤105，响应于取值范围不为空集，确定脉冲积累点数。设雷达3db波束宽度为θ0.5，脉冲重复周期为tr，雷达天线扫描速度为ωs，考虑到波束驻留时间的限制，天线扫过点目标的时间内目标的回波脉冲数应满足如下关系：同时考虑到数据率ts的限制，天线扫过点目标的总的积累时间应小于1/ts，即n·tr＜1/ts,因此可得：n＜1/trts速度分辨率σv与脉冲积累点数n满足如下关系：σv＝λprf1/2n因此当速度分辨率σv小于某一值σv0，可得：n＞λprf1/2σv0考虑到信噪比的约束，可得帧积累个数nf满足：由关系式n＝n·nf可得：式中pt为发射峰值功率，g为天线增益，λ为雷达信号波长，σt为目标散射截面积，α0为大气衰减系数，rmax为最大作用距离，k为波尔兹曼常数，t0为标准温度，fn为噪声系数，l为系统损耗，br为接收机带宽，snrmin为信噪比检测门限，nf为帧积累个数。步骤106，根据最大作用距离、模糊距离和盲区距离确定波形适用的距离范围。根据上述最大作用距离rmax、上述不模糊距离ru和上述盲区距离ct/2最终确定波形适用的距离范围r，即rmin＜r＜rmax，其中rmin＝rmax-ru+ct/2，rmin表示上述波形适用范围r的下限。本发明的优点可通过仿真数据实验进一步说明。1.仿真参数在本实验中，某高速弹载雷达导引头的工作波段为ka波段(λ＝8.6mm)，其技术指标要求如下：最大作用距离rmax为30km，方位角α为23°，俯冲角β为60°，导弹飞行速度vm为1200m/s，占空比ηmax小于30％，距离分辨率δr为1m，速度分辨率1m/s，3db波束宽度θ0.5为2.9°，目标信杂比检测门限scrmin为13db，数据率ts为50hz，目标散射截面积σt大于1000m2。2.仿真数据处理结果及分析2.1影响合成带宽的参数取值见表1(γ0的取值以4级海情为例)。表1影响合成带宽的参数取值参数rmaxδrβθ0.5scrminγ0σt取值30km1m60°2.9°13db-11db1000m2由距离分辨率δr的限制可得b≥150mhz，由信杂比的限制可得b≥625mhz。综上，取合成带宽b＝750mhz。频率步进量δf的选择取帧内脉冲数n＝8，帧内子脉冲带宽b1＝120mhz，由关系式δf＝(b-b1)/(n-1)可得频率步进量δf＝90mhz。脉冲宽度t的选择由于导弹飞行速度vm＝1200m/s，计算主瓣杂波多普勒谱宽为δfd＝2.76khz；由prf1＞n·δfd可得脉冲重复频率prf1＞22.08khz；由可得脉冲宽度t＜13.6μs，因此预设t＝10μs。脉冲重复频率prf1的选择当t＝10μs时，可得prf1＞42khz(ract＝2km)，prf1＞22.08khz，prf1＜30khz；综上，prf1在22.08～30khz范围内取得，最终确定prf1＝25khz。脉冲积累点数n的选择由于prf1＝25khz，因此脉冲重复周期tr＝40μs，影响脉冲积累点数的参数取值见表2。表2影响脉冲积累点数的参数取值参数取值参数取值tr40μsα00.16db/kmηmax30％k1.38×10-23rmax30kmt0290kpt40wfn5dbg35dbl12dbλ8.6mmbr36mhzσt1000m2b750mhznf16(snr)min13dbθ0.52.9°ωs60°/sts50hzσv01m/s由可得n≤1208；由n<1/trts可得n<500；由n>λprf1/2σv0可得n>108；由和可得n≥80(此时nf≥10)，因此108<n<500，考虑到积累时间不宜过长和fft运算方便，最终确定积累个数n＝128。当prf1＝25khz，t＝10μs，c＝3×108时，由可得不模糊距离ru为6km，盲区距离ct/2为1.5km，由于最大作用距离为30km，30-6+1.5＝25.5，所以上述参数可满足25.5～30km的波形设计。其他作用距离上的波形设计可依据上述步骤一一完成。2.2实验结论：本发明中详细介绍了高重频频率步进雷达导引头波形设计的过程以及所需要的理论支持，并结合工程应用完成了引导头设计实验，实验结果表明该方法能够有效的解决火箭弹技术目前所存在的雷达导引头波形设计的问题，并且提高了制导火箭的准确性。当前第1页12