四通道毫米波数字和差单脉冲精密跟踪系统的制作方法

本发明涉及一种四通道毫米波数字和差单脉冲精密跟踪系统。

背景技术：

随着种类繁多的飞机类、导弹类与精确制导炸弹类目标的出现，中等精度的跟踪雷达逐渐满足不了武器系统的跟踪测量要求，因而催生了20世纪50年代诞生的精密跟踪雷达。典型的精密跟踪测量雷达都采用单脉冲技术，单脉冲雷达能同时提供对角误差敏感所需的所有波束，在单个雷达脉冲上同时比较各波束的输出，从而消除了在扫描和波束转换技术中不可避免的回波幅度随时间变化造成的影响。单脉冲是一种雷达测角技术，也叫做同时多波束技术，最早是为了克服波束转换技术在雷达跟踪应用中跟踪精度不高而提出的。如今，单脉冲跟踪测量雷达已经被广泛应用于各类靶场试验、空间目标探测领域。单脉冲技术利用同时形成关于轴线对称的两个单元波束，这两个波束同时接收目标的回波信号，通过比较接收到的回波信号产生误差信号得到角误差信息，避免了不同时刻雷达回波信号强度波动造成的误差，从而提高了测量精度。传统的单脉冲技术可分为幅度比较单脉冲、相位比较单脉冲与和差比较单脉冲。其中，幅度比较单脉冲是通过设计单脉冲馈源得到相对视轴对称的两个单元波束，依靠两个波束的直接幅度比值确定目标角度的一种技术，这两个波束的最大方向相偏离视轴，且相对视轴对称。当目标信号(incomingwave)位于天线轴线上时，由于两单元波束(beam)关于轴线对称，所以它们接收到的信号幅度是相同的。而当目标信号偏离天线轴线时，由于两单元波束的相位中心重合，因而两单元波束接收信号的相位相同。由于目标信号到达两单元波束时经过的路程相同，但它到达两波束时的位置不同，因而两波束接收到的幅度就不同，从而导致接收信号的幅度有差异。其中这两个单元波束是通过一个已知的波束左偏和右偏得到的，是可以预知的。“单脉冲”意味着可以基于单个脉冲而不是波束序列或完整的圆锥形扫描来确定，因而跟踪速率更高更准确。另一个优点是基于同时接收所有四个通道中的目标回波，可以忽略回波在时间上的变化。单脉冲的跟踪使用两到四个同时的波束，其中波束以俯仰角和并排的方式堆叠在一起。单脉冲跟踪技术可以使用相位或振幅比较来实现跟踪任务。因此单脉冲是大多数现代雷达的首选跟踪方法，不仅因为它非常准确，而且它很难被欺骗。虽然通过单脉冲跟踪是非常精确的，但有且只有一个目标被跟踪时才能实现完全性能。当雷达分辨单元内存在多个目标或存在多路径反射时，单脉冲跟踪精度将会受到严重影响。单脉冲雷达是一种精密跟踪雷达。它有较高的测角精度、分辨率和数据率，但设备比较复杂。传统的单脉冲雷达一般利用在天线焦平面上对称放置多馈源的方式得到同时多波束。这种方法对单脉冲馈源的设计和每个馈源之后的射频通道设计要求很高，设计复杂耗时，且成本也很高。传统单脉冲技术形成需要的多波束是依靠单脉冲馈源中介绍的四喇叭馈源、五喇叭馈源、十二喇叭馈源以及多模喇叭馈源。但这些方式设计成本很高，结构复杂，加工制造比较困难，而且同一时刻只能跟踪一个目标。传统的单脉冲雷达基本是机械扫描雷达，复杂昂贵的单脉冲馈源设计和笨重的机电伺服系统大大限制了单脉冲雷达的应用范围和成本的降低。随着基于阵列的数字波束形成技术的发展，单脉冲波束不再仅仅局限于通过复杂昂贵天线馈源设计。dbf技术的使用使系统具备了自适应调节能力，能够实现较好的空域滤波和自适应抗干扰性能。此外，只要实际的工程实现条件允许，利用不同加权矢量对同一接收阵列接收到的阵列单元信号进行并行处理后，就可以得到具有不同指向的数字波束，使同时跟踪多目标成为可能。数字波束形成(dbf)技术使天线波束形成更具灵活性。dbf技术的使用使系统具备了自适应调节能力，能够实现较好的空域滤波和自适应抗干扰性能。数字波束形成技术是在阵列天线和信号处理模块基础上发展起来的一项新技术，也是现代阵列雷达的关键技术之一。数字波束形成技术由于采用数字化形式保留了天线阵单元信号的全部信息，因此，可以用先进的数字信号处理模块技术和方法，对阵列信号进行处理，获得波束的优良性能。dbf是指通过用数字信号处理模块的方法实现天线的发射和接收波束，它是对接收到的高频信号进行下变频处理后在基带运用数字信号处理模块技术的方法形成灵活可控的发射和接收波束，这种技术是在阵列天线的基础上，通过对阵列信号进行数字加权来改变波束指向和形状，并且可以根据外部环境自适应的调整加权系数在干扰方向形成零陷来达到抑制干扰的目的，由于早期的跟踪雷达基本采用的是波束转换，但无论是波束转换技术还是圆锥扫描技术都是通过单一的天线波束顺序扫描来检测目标角偏离信息。现代雷达面临的任务日益复杂，雷达在工作过程中，可能会碰到诸如地物、海浪、云雨及敌人施放的金属箔等杂波。杂波分为固定杂波和动杂波。在雷达接收回波信号的过程中，杂波信号的存在对有用信号的检测和提取一直起着干扰的作用。由于杂波信号的存在对有用信号的检测和提取会产生干扰。目标角误差信息的获得至少需要经过一个扫描周期，需要对不同时刻的雷达回波脉冲进行比较。由于各种原因，雷达回波信号本身的强度在不同时刻会有波动，从而使这种体制的跟踪雷达的跟踪精度受到限制，产生跟踪误差。为了克服这种目标本身回波幅度起伏对角误差带来的影响，从而催生了精密跟踪雷达的诞生。近年来提出的数字单脉冲跟踪系统能有效解决传统模拟单脉冲雷达存在的问题，基于阵列天线的数字波束形成技术使得单脉冲不再仅仅通过天线馈源设计，它是在适当的天线阵设计、下变频和阵列信号采集之后，在基带用数字信号处理模块办法实现数字单脉冲和差波束，产生角误差信息。数字单脉冲体制在多通道多单元的阵列雷达中应用较多。由于受器件功率和大气条件的影响，毫米波雷达的作用距离受到了一定的限制，并且传统的数字波束形成算法是假设在无干扰的情况下对目标进行跟踪的，当存在主瓣或旁瓣干扰时，将会影响跟踪精度。理想情况下，虽然在形成单脉冲和差波束时是假定通道之间是一致的，但是当通道不一致时，会大大降低天线系统的性能。对于一般的波束形成算法，当波束指向不同的方向时，波束宽度会发生变化，进而影响差波束的瞄准指向。

在单脉冲跟踪系统中，由于和差通道相对相移，导致差信号与和信号之间存在相位差，而在同步解调中是以和信号作为参考进行频率相位控制，导致最终解调出的方位俯仰误差存在交叉耦合，需要进行相位校准。通常的相位校准方法是伺服系统找到和信号中心，再分别通过偏方位俯仰轴、设置移相值及斜率最终达到减小交叉耦合，实现自动跟踪。传统跟踪雷达的主要功能是对目标坐标及其轨迹进行实时精确测量，并对目标未来位置做出准确预测；现代跟踪雷达除上述功能外，还要求在恶劣电磁环境条件下对多目标进行高分辨测量、目标特征测量、目标成像及目标识别。单脉冲角跟踪系统按通道分类可包括三通道、双通道、单通道单脉冲三种方案；按不同的测角的方法可分为振幅法、相位法、和差法三种方案。单脉冲雷达的角跟踪精度要高得多，圆锥扫描雷达至少要经过一个圆锥扫描周期后，才能获得角误差信息，在此期间目标振幅起伏噪声也叠加在锥扫调制信号(角误差信号)上形成干扰，而自动增益控制电路的带宽又不能太宽，因而不能消除目标振幅起伏噪声的影响，在锥扫频率附近一定带宽内的振幅起伏噪声可以进入角跟踪系统引起测角误差。在不降低费效比的前提下，如何将数字波束形成等数字技术集成应用到毫米波常规体制跟踪雷达中，设计一种全天候、高精度、体积小、重量轻，具备良好的抗干扰、反低空突防和“四抗”能力的精密跟踪系统是非常必要的。

技术实现要素：

本发明的目的针对现有技术存在的不足之处，旨在提供一种全天候、高精度、体积小、重量轻，精度高、可靠性高、生存能力强，具备良好的抗干扰、反低空突防、“四抗”能力和具备快速截获、精密跟踪功能的四通道毫米波数字和差单脉冲精密跟踪系统。

本发明的上述目的可通过以下措施来达到：一种四通道毫米波数字和差单脉冲精密跟踪系统，包括：毫米波ka波段平板裂缝阵天线、频率综合器、四路超外差线性接收机、数字稳定跟踪伺服系统、信号处理模块、数据处理模块和模块化电源，其特征在于：毫米波ka波段平板裂缝阵天线通过全相参固态t/r组件相连频率综合器，全相参固态t/r组件电连接四路超外差线性接收机，并通过信号处理模块互连数据处理模块和数字稳定跟踪伺服系统；频率综合器，利用时钟、控制信号选定的频率产生调制信号rf激励(rfout)，并向全相参固态t/r组件发送收发校准信号，rfout经全相参固态t组件进行功率放大后，通过毫米波ka波段平板裂缝阵天线辐射至空中；空中目标的回波信号rfin经毫米波ka波段平板裂缝阵天线接收，送至全相参固态r组件，经限幅低噪声放大后输出至四路超外差线性接收机，通过二次混频、放大、滤波后，将得到的中频回波信号ifin送入信号处理模块，进行数字中频接收、数字和差和模数转换，利用通道均衡技术实时调整通道幅度相位特性，完成通道校正并形成数字和差所需的权系数，实现接收数字波束形成和典型的三通道单脉冲和差的和、方位差、俯仰差支路，完成目标的截获跟踪处理，获得目标的距离、角误差、速度信息，将目标距离、角误差、速度信息送数字稳定跟踪伺服系统和数据处理模块；包含功率驱动单元和计算控制单元的数字稳定跟踪伺服系统，利用目标距离、角误差信息，通过其连接的俯仰电机、俯仰旋变模块、方位电机和方位旋变模块完成对目标的角度闭环跟踪，将实时获取的目标角度信息送至数据处理模块和信号处理模块；数据处理模块引入姿态信息、引导信息和控制信息，对收到的目标距离、实时角度、角误差、速度信息进行融合、滤波处理，获取并输出大地坐标系的目标实时高精度参数。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

体积小、重量轻、精度高、可靠性高、生存能力强。本发明采用毫米波ka波段平板裂缝阵天线、频率综合器、四路超外差线性接收机、数字稳定跟踪伺服系统、信号处理模块、数据处理模块和模块化电源组成的四通道毫米波数字和差单脉冲精密跟踪系统，一方面采用毫米波ka波段平板缝隙天线，使用低损耗馈线网络设计、精密加工工艺，实现雷达天线小型化和高增益高效率，较短的波长可减小元器件的尺寸要求，得到紧凑的系统；天线增益与波长的平方成反比，相同天线增益的毫米波天线的孔径较小，实现了系统体积小、重量轻的特点。另一方面该系统采用通道均衡技术实时调整通道幅度相位特性解决馈线相位一致性问题，简化毫米波单脉冲雷达馈线系统的复杂度；采用数字波束形成技术的信号处理模块单元实现中频信号单脉冲和差器功能，从而省去传统单脉冲跟踪雷达系统中的模拟射频多喇叭和差处理器部分，解决了毫米波多模喇叭馈源设计成本高，结构复杂，加工制造困难等一系列毫米波雷达的工程应用问题，不仅进一步实现了系统体积小、重量轻的特点，且提高了系统的可靠性。再则该系统采用毫米波ka波段的平板裂缝阵天线，窄的波束减少了干扰机将能量注入主波束的机会，可降低雷达对干扰的灵敏度，不易受电子干扰；采用峰值功率仅几十瓦量级的固态发射机，使雷达具备了低截获性能，提高了系统的战场生存能力。采用数字稳定跟踪伺服系统控制快速螺旋扫描自动截获跟踪目标，捕获时间短；采用数字稳定跟踪伺服系统多闭环自适应校正技术克服摩擦、力矩不平衡、外界扰动等非线性因素对电机驱动控制稳定性的影响，提高系统的角跟踪精度。工程实践表明角跟踪精度(方位、俯仰)能到达其波束宽度的五十分之一高精度。

本发明针对雷达工作过程可能存在的固定杂波和动杂波，采用止带凹口位于零频附近的mti滤波器对准杂波谱的中心频率，抑制多普勒频移的动杂波，通过mti滤波器的凹口对准杂波平均多普勒频率位置得到良好的抑制效果。利用对静止杂波有较好抑制能力的mti技术，提高了雷达在复杂多变环境中的检测性能。

全天候工作。本发明频率综合器利用时钟、控制信号选定频率的调制信号，经全相参固态t组件进行功率放大，通过毫米波ka波段平板裂缝阵天线辐射至空中；使得四通道毫米波数字和差单脉冲精密跟踪系统工作于毫米波ka波段，毗邻厘米波段，与红外、激光设备相比较，具有很好的穿透烟、尘、雨、雾的传播特性，具有全天候工作的特点。系统采用单脉冲跟踪体制，确保获得高精度的跟踪性能，并辅以程序引导和实时数据引导功能，提高了系统的可靠性，确保了较高的测控质量。系统鲁棒性强，响应快，跟踪过程平稳。

快速截获、精密跟踪。本发明采用信号处理模块互连数据处理模块和数字稳定跟踪伺服系统及频率综合器，一方面在其体积小、重量轻的特点下，采用数字稳定跟踪伺服系统控制快速螺旋扫描自动截获跟踪目标，捕获时间短，采用数字稳定跟踪伺服系统多闭环自适应校正技术克服摩擦、力矩不平衡、外界扰动等非线性因素对电机驱动控制稳定性的影响，不仅截获快速，而且提高了系统的角跟踪精度；另一方面采用窄波束毫米波ka波段平板缝隙天线减小多路径影响，提高低空跟踪能力，实现系统的快速截获、精密跟踪功能。四通道毫米波数字和差单脉冲精密跟踪系统通过完成对空中目标快速截获、精密跟踪，提供目标实时高精度参数。通过数字稳定跟踪伺服系统提高了惯性速率稳定环的控制效果。工程实践表明，系统具有良好的动、静态性能指标和很好的控制效果。

附图说明

图1是本发明四通道毫米波数字和差单脉冲精密跟踪系统工作原理框图。

图2是图1四通道数字和差波束形成原理框图。

图3是图1接收通道幅相校正实施图。

图4是图1四通道数字和差波束形成示意图，其中，图a)是四通道天线波束排列方式的示意图，图b)是数字和差波束形成过程的波束接收信号的xyz空间直角坐标系的示意图。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，一种四通道毫米波数字和差单脉冲精密跟踪系统，包括：采用毫米波ka波段平板裂缝的雷达天线阵面、频率综合器、四路超外差线性接收机、数字稳定跟踪伺服系统、信号处理模块、数据处理模块和模块化电源，其中：毫米波ka波段平板裂缝阵天线通过全相参固态t/r组件相连频率综合器，全相参固态t/r组件电连接四路超外差线性接收机，并通过信号处理模块互连数据处理模块和数字稳定跟踪伺服系统；频率综合器，利用时钟、控制信号选定的频率产生调制信号rf激励(rfout)，并向全相参固态t/r组件发送收发校准信号，rfout经全相参固态t组件进行功率放大后，通过毫米波ka波段平板裂缝阵天线辐射至空中；空中目标的回波信号rfin经毫米波ka波段平板裂缝阵天线接收，送至全相参固态r组件，经限幅低噪声放大后输出至四路超外差线性接收机，通过二次混频、放大、滤波后，将得到的中频回波信号ifin送入信号处理模块，进行数字中频接收、数字和差和模数转换，利用通道均衡技术实时调整通道幅度相位特性，完成通道校正并形成数字和差所需的权系数，实现接收数字波束形成和典型的三通道单脉冲和差的和、方位差、俯仰差支路，完成目标的截获跟踪处理，获得目标的距离、角误差、速度等信息，将目标距离、角误差、速度等信息送数字稳定跟踪伺服系统和数据处理模块；包含功率驱动单元和计算控制单元的数字稳定跟踪伺服系统，利用目标距离、角误差信息，通过其连接的俯仰电机、俯仰旋变模块、方位电机和方位旋变模块完成对目标的角度闭环跟踪，将实时获取的目标角度信息送至数据处理模块和信号处理模块；数据处理模块引入姿态信息、引导信息和控制信息，对收到的目标距离、实时角度、角误差、速度信息进行融合、滤波处理，获取并输出大地坐标系的目标实时高精度参数。

信号处理模块在雷达接收回波信号过程中，对来自四路超外差线性接收机的四路中频信号进行零中频处理，用手动增益控制(mgc)或自动增益控制(agc)抑制接收通道饱和，用mti滤波器抑制动杂波，脉压、恒虚警处理和积累检测，实现目标检测、截获、距离闭环跟踪功能。

模块化电源为系统提供所需的各种电源。数据处理模块为系统工作提供人机界面，具有跟踪和处理机动目标的功能，完成截获和跟踪等系统事件的调度功能，有效的对系统的工作参数、模式进行合理的控制，适应变化的环境。数据处理模块对目标距离、实时角度、角误差、速度等信息进行融合、滤波处理，获取目标的实时高精度参数包括：距离、方位角、俯仰角、速度等信息。

毫米波ka波段平板裂缝阵天线的雷达天线阵面分为4个象限，每一个象限分为16个子阵，每个子阵主要由平面阵、耦合波导、馈电网络组成，子阵之间辐射波导均共用采用箱梁结构的短路板。

雷达天线阵面4个子阵分别电连接于4只全相参固态t/r组件，将由全相参固态t组件送至的射频信号向空间辐射，接收回波信号送至全相参固态r组件，并提供收发检测信号通道。全相参固态t/r组件连接毫米波ka波段平板裂缝阵天线、四路超外差线性接收机和频率综合器，主要完成高功率射频脉冲信号放大馈给天线对外辐射，对回波信号进行限幅低噪声放大，完成回波信号的接收。

四路超外差线性接收机电连接于全相参固态t/r组件、频率综合器和信号处理模块，目标回波信号经雷达天线阵面4个子阵接收送至4只全相参固态r组件，经过限幅低噪声放大后送至四路超外差线性接收机二次混频、放大、滤波后得到中频回波信号。

频综综合器连接全相参固态t/r组件、四路超外差线性接收机、信号处理模块及数据处理模块，主要为四通道毫米波数字和差单脉冲精密跟踪系统提供高稳定本振、相参发射激励信号、基准信号和测试信号。

数字稳定跟踪伺服系统包含功率驱动单元和计算控制单元，利用目标距离、角误差信息，通过其连接的俯仰电机、俯仰旋变模块、方位电机和方位旋变模块完成对目标的角度闭环跟踪，将实时获取的目标角度信息送至数据处理模块和信号处理模块；数据处理模块引入姿态信息、引导信息和控制信息，对收到的目标距离、实时角度、角误差、速度信息进行融合、滤波处理，获取并输出大地坐标系的目标实时高精度参数。

参阅图2。四通道数字和差波束的形成是四通道毫米波数字和差单脉冲精密跟踪系统中重要的过程，主要由信号处理模块完成。波束形成有模拟和数字两种方式，简单来说，模拟和差波束的功率合成采用模拟器件完成；数字方式则是先进行信号的数字化，再对数字信号进行所需幅度与相位加权来实现单脉冲计算所需和差波束。经毫米波ka波段平板裂缝阵天线阵面4个子阵接收的目标回波信号rfin通过4只全相参固态r组件限幅低噪声放大后送至四路超外差线性接收机进行镜像抑制混频、低噪放、数控衰减、二次混频、中频放大后得到中频回波信号ifin；中频回波信号经信号处理模块中的模数转换器ad进行模数转换为数字中频信号，再经直接数字控制器ddc数字下变频和幅相修正，完成通道校正、中频数字和差，形成数字和差所需的权系数，实现接收数字和差波束形成，利用形成的方位差波束得到需要的方位差△a，利用形成的和波束得到和∑、利用形成的俯仰差波束得到俯仰差△e；方位差△a，和∑、俯仰差△e通过和、方位差、俯仰差支路相连的mti滤波器进行脉压、mti滤波、幅相计算，完成角误差解算和目标检测，获得目标的方位、俯仰角误差信息。mti滤波器基于最小功率多普勒相位系数补偿对消的amti方法，采用自适应双门限进行杂波位置的判定，然后对所确定的杂波位置信号进行杂波多普勒相位估计，最后采用最小功率准则选择杂波多普勒相位补偿系数并进行杂波的自适应对消。

参阅图3。通道的幅相误差对波束形成的性能有重要影响，四通道毫米波数字和差单脉冲精密跟踪系统的接收通道幅相一致性校正主要由信号处理模块完成，采用多频点幅相实时校正方法。在相同的频率和环境等条件下，分别进行fft外校准和初次fft内校准(研制过程)，以确定内外场校正系数。在其他环境条件下，只须做通道fft内校准(服役期间)，便可得到新的通道幅相误差。频率综合器产生的标准射频校正信号，通过全相参固态r组件至四路超外差线性接收机得到中频校正信号，信号处理模块分别经4只并行通道连接的快速傅里叶变换fft模块，进行快速傅里叶变换fft运算得到各通道的幅度和相位值，接收通道幅相一致性校正时，快速傅里叶变换fft模块查找四通道最大值，找到四通道各个通道的最大值，在fft内对各通道进行校正系数相乘的校准操作，与标准通道最大值比较，得出四路通道的校正系数，最终实现通道间幅相一致性实时校正。

参阅图4。雷达在四路超外差线性接收机前端形成四组形状相同的子波束，经接收通道放大滤波后，在信号处理模块采用数字波束形成技术合成雷达所需的和、差信号。

天线子波束的排列方式如a)所示，四个子波束的位置分别如图b)所示的xyz空间直角坐标系，四个子波束位于xyz空间直角坐标系所在1、2、3、4点，入射波根据波长λ(m)，以原点o的天线波束方向，相对于x轴的俯仰角θ(弧度)、相对于y轴的方位角和分别为天线俯仰波束宽度θ3db和天线方位波束宽度得到单向天线方向图高斯函数近似数学表达式：

其中，κ为单脉冲雷达差波束归一化斜率，κ＝1.4。仿真时取

由于子波束相位中心的间距为l(m)(1、3或1、2间的距离)，相对于原点o会带来波程差进而产生相位差。根据相位差α公式α＝δr·2π/λ得到，根据几何知识计算波程差后代入，可得到四个子波束相对于原点o的相位差：

则形成四个子波束的天线方向图分别为：其中，δr为波程差，l为四个子波束相位中心的间距。

信号处理模块接收到的四个子波束经过数字处理网络，得到和、方位差、俯仰差波束方向图函数分别如下：

和差波束形成后即可进行后续的角误差解算。

以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。