CN104678389B - 连续波一维相扫脱靶量矢量检测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种连续波一维相扫脱靶量矢量检测方法及其装置，采用一维相扫体制对靶区在水平方向上进行高速连续扫描，将雷达每一个波位的波束指向固定且事先设定，然后从左边的第一个波位开始，从左至右依次对每一个波位进行循环扫描；在雷达对某个波位进行扫描期间，雷达采用线性调频连续波测距体制对目标的距离进行测量，对扫描空域发射调频连续波信号，当有目标进入探测区域时，采用宽带线性调频连续波测距和单脉冲和差测角方式，对目标相对于雷达的距离R′和方位进行矢量脱靶量测量，然后由雷达数据处理分机利用相对于靶标的距离和方位角度的几何关系和坐标转换公式，将目标相对于雷达的距离和方位换算成相对于靶标的矢量脱靶量。

Description

连续波一维相扫脱靶量矢量检测方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种连续波一维相扫脱靶量矢量检测方法及装置。

背景技术

随着脱靶量测量技术的不断发展，目前脱靶量测量系统的工作方式由协同式逐渐发展为以非协同式为主；测量数据类型在标量型脱靶量测量成熟的基础上，向矢量脱靶量测量发展并不断完善。所谓标量脱靶量测量是指在遭遇过程中测量弹与靶的最小相对距离，而矢量脱靶量测量不仅要获得标量脱靶量，而且还要测得弹与靶遭遇过程的相对位置(距离、角度)和相对速度。

脱靶量的测量可以借助无线电波、光波、声波等能量形式作为获取信息的媒介。其测量方法主要有无线电脱靶量测量方法、光学测量方法、GPS测量方法。其中无线电脱靶量测量方法又分为无线电定位方法和雷达测量方法。无线电定位法为协同式测量系统，需要对弹和靶都加装无线电设备。而雷达测量法为非协同式测量系统，不需要对弹进行任何改装，利用雷达检测原理对弹与靶的相对距离和角度进行测量。目前靶场用于脱靶量测量的方式主要有光学设备测量和雷达测量。典型的光学脱靶量测量方法包括摄影、照相、红外光导摄像、激光测距等，利用光学测量和成像原理，测量、记录目标的运动轨迹、姿态、运动中发生的事件，以及目标的红外辐射和视觉特征。光学跟踪测量设备通常由摄影机、跟踪或监视设备和数据处理设备组成。这种方法有以下几个缺点：需要良好的照明条件、受气象条件的影响大；当靶标被击中时数据会丢失；胶卷记录的时间有限和相机的稳定性问题；另外其数据处理也比较繁杂。而雷达测量以电磁波作为获取信息的媒介，抗干扰能力强，测量精度高，数据实时可靠，且不受天气影响，具有全天候工作能力。

雷达测量包括脉冲雷达和连续波雷达，从理论上来说，雷达的探测能力取决于能够利用的信号能量。距离分辨力取决于信号的带宽，频率分辨力取决于信号的时宽，角度分辨率取决于天线相对于波长的尺寸，目标速度测量精度取决于发射信号的时宽。连续波系统很容易获得大时宽、大带宽，其距离、速度分辨力优于脉冲雷达，而且线路更加简单，成本更低。同时，脉冲雷达由于采用单天线收发，需要进行收发转换，存在保护时间，因此近距离目标 的探测会受到影响，而连续波雷达则不存在这个问题。由于具有以上优点，连续波雷达在靶场测量、汽车防撞雷达、精密跟踪、火控雷达、点目标自卫系统以及太空间卫星搜索跟踪等很多场合具有广泛的应用前景。然而现代军事武器装备的发展，使得人们对靶场雷达测量设备的要求越来越高，要求连续波雷达不但能够测量单个目标的速度、距离、角度，给出目标的矢量信息，还能在较远距离上对多个目标进行捕获、跟踪和测量，且对测量精度的要求越来越高。在这样的要求下，调频连续波体制，以其突出的优势，成为靶场测试雷达的首选。

综上所述，线性调频连续波雷达由于具有全天候、非协同、抗干扰能力强、矢量测量、精度高、成本低等特点，成为脱靶量测量领域的发展趋势和重要测量设备。但目前的靶量测量装置对多个高速小目标不能进行可靠矢量检测；另外，由于脱靶量测量装置通常安放于靶标附近，被击中的概率很大，易被破坏和不能反复使用。因此如何降低使用成本，提高设备性价比，也是脱靶量测量设备的发展方向。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足之处，提供一种脱靶量测量精度高、抗干扰能力强、可同时对多个高速小目标进行可靠矢量检测，具备高可靠性、安装维护方便，且不受天气影响、具有全天候工作能力，可反复使用、维护成本低的连续波一维相扫脱靶量测量方法及其装置。

实现本发明的技术解决方案是：一种连续波一维相扫脱靶量矢量检测方法，其特征在于包括如下步骤：将脱靶量测量装置放置在着弹区外，所述装置采用一维相扫体制对靶区在水平方向上进行高速连续扫描，将雷达每一个波位的波束指向固定且事先设定，然后从左边的第一个波位开始，从左至右依次对每一个波位进行扫描，直到把最后一个波位扫描完，然后又循环从第一波位开始进行扫描，在靶区上形成一个90°×10°的搜索屏；在雷达对某个波位进行扫描期间，雷达采用线性调频连续波测距体制对目标的距离进行测量，对扫描空域发射调频连续波信号，当有目标进入探测区域时，采用宽带线性调频连续波测距和单脉冲和差测角方式，对目标相对于雷达的距离R′和方位θ'°进行矢量脱靶量测量，然后由雷达数据处理分机利用相对于靶标的距离和方位角度的几何关系和坐标转换公式，将目标相对于雷达的距离和方位换算成相对于靶标的矢量脱靶量。

本发明与现有脱靶量测量装置相比，其显著优点是：采用一维相扫体制对检靶区域进行高速连续扫描，检测数据率高，可同时对多个高速小目标进行可靠检测；采用宽带线性调频 连续波测距体制和单脉冲和差测角体制对目标进行矢量脱靶量测量，脱靶量测量精度高，为打靶提供更可靠的评判依据；雷达放置于打靶区域外，被破坏的可能性大大降低，可反复使用，维护成本低；抗干扰能力强，具备高可靠性，安装维护方便，且不受天气影响，具有全天候工作能力。

本发明所述的脱靶量测量装置可应用于海面、地面各型试验基地和靶场，用于测量各类导弹、炮弹、航弹、火箭弹等被测目标相对于靶标的脱靶量。

附图说明

图1是本发明连续波一维相扫脱靶量矢量检测的脱靶量测量示意图。

图2是一维相扫原理示意图。

图3是本发明线性调频连续波雷达测距原理图，其中图3(a)是发射信号与回波信号的时频关系曲线图，图3(b)是回波信号延时与差频的时频关系曲线图。

图4是本发明宽带线性调频信号产生器的电路原理图。

图5是本发明脱靶量测量装置的电路原理框图。

具体实施方式

参阅图1。在连续波一维相扫脱靶量矢量检测中，雷达中心指向靶心，与正北方向夹角为α°，雷达相对于靶标的距离为L。脱靶量测量雷达放置在着弹区外，采用一维相扫体制对靶区在水平方向上进行高速连续扫描，扫描范围为以靶心为中心的±45°。水平×俯仰的扫描波束的宽度为2°×10°，45个波位就可覆盖整个监视区域。雷达每一个波位的波束指向固定且事先设定，然后从左边的第一个波位开始，从左至右依次对每一个波位进行扫描，直到把最后一个波位扫描完，然后又循环从第一波位开始进行扫描，如此循环在靶区上形成一个90°×10°的搜索屏。在雷达对某个波位进行扫描期间，雷达采用线性调频连续波测距体制对目标的距离进行测量。雷达对扫描空域发射调频连续波信号，当有目标进入探测区域时，采用宽带线性调频连续波测距和单脉冲和差测角方式，对目标相对于雷达的距离R′和方位θ'进行矢量脱靶量测量，然后由雷达数据处理分机利用图1所示的雷达、靶标和炮弹轨迹之间的几何关系以及坐标转换公式(1)，将目标相对于雷达的距离R′和方位θ′换算成相对于靶标距离R和方 位θ的矢量脱靶量，

式中，L为雷达与靶标的距离，α为雷达与正北方向的夹角，R′、θ'分别为目标相对于雷达的距离和方位角度，R、θ分别为目标相对于靶标的距离和方位角度。

参阅图2。根据相控阵原理，为了使波束在空间迅速扫描，可在天线阵面的每个辐射元之后接一个如图2所示的可变移相器。各单元移相器的相移量分别设为0,移相器引入的相移量的大小由式(2)确定，

其中，d为天线阵面辐射元之间的间距，λ为信号波长，θ₀即为波束相对于法向方向的偏移角度。可见，控制各个移相器的相位便可改变波束指向，通过切换移相器不同的相移量就达到波束扫描的目的。而且，当移相器的相位设定好了以后，波束指向的角度也就设定了，当在此波束内检测到某个目标，那么目标的方位信息也就知道了，在此基础上，结合单脉冲和差测角方式，即可实现目标方位角度的高精度测量。

由公式(2)可知，波束指向θ₀与波长λ是一一对应的，当信号频率或波长在带内扫描时，波束指向也在一定方位内扫描。一般的窄带雷达系统由于相对带宽(带宽与中心频率之比)很小，频率或波长在带内的变化对波束指向的影响很小，因此可以忽略。而本发明中，为了提高测量精度，采用大带宽调频信号，频率或波长在带内的变化足以引起波束指向的明显变化。为了解决此问题，本发明采取频带内分段布相法，即将雷达的线性调频信号的调频带宽分为几段，每一段可认为是窄带系统，测试时分段得到布相数据，形成一张布相数据表存储在波位控制器的存储器中。实际应用时，波位控制器与频率综合器器相连，并根据频率综合器送出的调频信号的频率进行查表布相，修正雷达天线的波束指向，以提高脱靶量测量雷达的角度检测精度。

参阅图3。本发明采用线性调频连续波测距体制对目标的距离进行测量。在图3(a)为发射信号与回波信号的时频关系示意图和图3(b)为回波信号延时与差频的关系示意图中，根据雷达原理，目标距离R与雷达回波延迟τ的关系为：

其中，c为电磁波在空气中的传播速度。如果雷达的频率按如图3所示的锯齿波进行调 制，那么雷达回波与发射信号在同一时刻存在一个差频f_i，f_i与延迟τ的关系为：

其中，T_m为调制周期，ΔF_m为最大调制频偏。结合式(3)和式(4)，目标距离R与回波差频f_i的关系为：

由此可见，目标距离与差频fi成正比，通过测量回波信号差频就可以测量目标距离。由式(5)可知，距离分辨率可表示为

即距离分辨率由雷达系统的频率分辨率决定，而频率分辨率又由调制周期(时宽)决定，一般情况下因此频率分辨率可表示为由此可见，距离分辨率由调制带宽决定，带宽越大，距离分辨率越高。但是在相同时宽情况下，调制带宽越大，调制信号线性度越难做高，由图3的测距原理可知，如果发射信号的频率调制信号不是理想的直线，而是在直线附近有一定起伏，那么距离与差频的关系也不再是严格的线性关系，而会引起一定的测距误差，一般调制信号的线性度越高，那么由其引起的测距误差就越小。因此本发明采用高线性度大带宽调制信号产生技术，提高调制信号的线性度。

参阅图4。本发明中宽带线性调频信号产生采用直接数字式频率合成器DDS激励加锁相环PLL的方案，以DDS和参考信号的和频作为PLL的参考源，利用PLL锁相及倍频完成带宽和频率的扩展。宽带线性调频信号产生器包括顺次串联的恒温晶振、倍频器、DDS、混频器和PLL，其中倍频器并联于混频器。具体实施时，图中DDS的参考时钟由恒温晶振经倍频后提供，其输出频率步进在100Hz量级，步进时间小于10ns，线性度优于0.01％；DDS的输出频率再通过混频器，与倍频信号产生和频信号后作为PLL的基准信号；通过合理选取PLL环路带宽，使捷变频时间小于2us，同时，有效抑制了DDS输出的杂散成分，最终输出雷达所需的高线性度、大带宽的线性调频信号。

参阅图5。在本发明中，脱靶量测量装置包括发射天线、发射组件、发射波位控制器、 接收天线、接收组件、接收波位控制器、和差网络、频率综合器、中频接收机、信号处理器、数据处理器、通信控制器以及指挥显示终端,其中，发射波位控制器连接发射组件、通过馈线连接发射天线组成发射阵面；接收波位控制器连接接收组件、通过馈线连接接收天线和和差网络组成接收阵面。频率综合器连接发射波位控制器、接收波位控制器、发射组件、中频接收机和信号处理器，为雷达系统提供线性调频信号及时钟信号；中频接收机连接和差网络，并相连信号处理器，将回波信号送至信号处理器进行脱靶量检测；数据处理器连接信号处理器，对信号处理器送来的脱靶量数据进行数据融合和滤波。通信控制器连接数据处理器以及指挥显示终端，为整机提供控制命令输入通道以及雷达数据输出通道。

雷达工作时，架设于打靶安全距离外，接收波位控制器及发射波位控制器根据通信控制器的指令控制收、发天线波束的波位，以扫描范围内最左边扫描角度为第1波位，依次向右扫描，扫描范围以天线阵面法向为准左右扫描45°，同一时刻收、发波束指向相同。频率综合器产生宽带线性调频射频信号送至发射组件，通过发射阵列天(馈)线向外发射能量。发射天线辐射的电磁波遇到目标后，有部分能量从目标反射回来，接收天线将电磁波转换为射频信号，经接收组件、和差网络形成和、差两路信号，混频后得到差频信号并送至两路中频接收机。接收系统对信号进行滤波、放大后分成两对I/Q支路信号送给信号处理器。信号处理器完成FFT、对消、频域CFAR，通过自动检测提取目标的方位、距离数据，送至数据处理器。数据处理器对目标点迹进行相关处理，建立目标的航迹，并根据定位定向系统提供的位置和正北信息，解算目标相对于靶标的矢量脱靶量。最终由数据处理器将脱靶量信息通过通信控制器传输给指挥显示终端。

Claims (10)

1.一种连续波一维相扫脱靶量矢量检测方法，其特征在于包括如下步骤：将脱靶量测量装置放置在着弹区外，所述装置采用一维相扫体制对靶区在水平方向上进行高速连续扫描，将雷达每一个波位的波束指向固定且事先设定，然后从左边的第一个波位开始，从左至右依次对每一个波位进行扫描，直到把最后一个波位扫描完，然后又循环从第一波位开始进行扫描，在靶区上形成一个90°×10°的搜索屏；在雷达对某个波位进行扫描期间，雷达采用线性调频连续波测距体制对目标的距离进行测量，对扫描空域发射调频连续波信号，当有目标进入探测区域时，采用宽带线性调频连续波测距和单脉冲和差测角方式，对目标相对于雷达的距离R′和方位θ'°进行矢量脱靶量测量，然后由雷达数据处理分机利用相对于靶标的距离和方位角度的几何关系和坐标转换公式，将目标相对于雷达的距离和方位换算成相对于靶标的矢量脱靶量。

2.如权利要求1所述的连续波一维相扫脱靶量矢量检测方法，其特征在于：雷达数据处理分机利用雷达、靶标和目标轨迹之间的几何关系以及坐标转换公式(1)，将目标相对于雷达的距离R′和方位θ′换算成相对于靶标距离R和方位θ的矢量脱靶量，

式中，L为雷达与靶标的距离，α为雷达与正北方向的夹角，R′、θ'分别为目标相对于雷达的距离和方位角度，R、θ分别为目标相对于靶标的距离和方位角度。

3.如权利要求1所述的连续波一维相扫脱靶量矢量检测方法，其特征在于：为了使波束在空间迅速扫描，在天线阵面的每个辐射元之后接可变移相器。

4.如权利要求3所述的连续波一维相扫脱靶量矢量检测方法，其特征在于：各单元可变移相器的相移量分别设为可变移相器引入的相移量的大小由式(2)确定，

其中，d为天线阵面辐射元之间的间距，λ为信号波长，波束指向θ₀即为波束相对于法向方向的偏移角度。

5.如权利要求4所述的连续波一维相扫脱靶量矢量检测方法，其特征在于：波束指向θ₀与波长λ是一一对应的，当信号频率或波长在带内扫描时，波束指向也在一定方位内扫描。

6.如权利要求1所述的连续波一维相扫脱靶量矢量检测方法，其特征在于：采取频带内分段布相法，将雷达的线性调频信号的调频带宽分为几段，每一段为窄带系统，测试时分段得到布相数据，形成一张布相数据表存储在接收和发射波位控制器的存储器中。

7.如权利要求1所述的连续波一维相扫脱靶量矢量检测方法，其特征在于：宽带线性调频信号产生采用直接数字式频率合成器DDS激励加锁相环PLL组成宽带线性调频信号产生器，以DDS和参考信号的和频作为PLL的参考源，利用PLL锁相及倍频完成带宽和频率的扩展。

8.如权利要求7所述的连续波一维相扫脱靶量矢量检测方法，其特征在于：宽带线性调频信号产生器包括顺次串联的恒温晶振、倍频器、DDS、混频器和PLL，其中,倍频器的输出还连接混频器的另一输入端，DDS的参考时钟由恒温晶振经倍频后提供，其输出频率步进在100Hz量级，步进时间小于10ns，线性度优于0.01％。

9.如权利要求8所述的连续波一维相扫脱靶量矢量检测方法，其特征在于：DDS的输出频率通过混频器，与倍频信号产生和频信号后作为PLL的基准信号；选取PLL环路带宽，使捷变频时间小于2us，有效抑制DDS输出杂散成分，输出雷达所需的高线性度、大带宽的线性调频信号。

10.一种使用权利要求1～9任意一项所述方法的脱靶量测量装置，包括发射天线、发射组件、发射波位控制器、接收天线、接收组件、接收波位控制器、和差网络、频率综合器、中频接收机、信号处理器、数据处理器、通信控制器以及指挥显示终端，其特征在于：发射波位控制器连接发射组件、通过馈线连接发射天线组成发射阵面；接收波位控制器连接接收组件、通过馈线连接接收天线和和差网络组成接收阵面，频率综合器连接发射波位控制器、接收波位控制器、发射组件、中频接收机和信号处理器，为雷达系统提供线性调频信号及时钟信号；中频接收机连接和差网络，并相连信号处理器，将回波信号送至信号处理器进行脱靶量检测；数据处理器连接信号处理器，对信号处理器送来的脱靶量数据进行数据融合和滤波，通信控制器连接数据处理器以及指挥显示终端，为整机提供控制命令输入通道以及雷达系统数据输出通道。